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美国科学家开发由嵌入磁性铁微粒的聚合物制成的软体机器人【热门新闻】

时间:2022-11-23 来源网站:常德化工机械网

8月3日电,美国科学家开发了一种能够远程控制的软体机器人,它可以移动到目标位置并重新变化成新的形状,显示出在生物技术和航空航天领域的潜在应用。近日发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的这项研究描述了由嵌入磁性铁微粒的聚合物制成的软体机器人,由光和磁场控制。

在正常条件下,这种材料是相对刚性的,但通过发光二极管加热,材料会变得柔软,再通过磁场远程控制,可改变机器人的形状,而停止加热后,机器人会恢复刚性,固定为新的形状。

在测试中,美国北卡罗来纳州立大学和埃隆大学的研究人员将这种机器人制成用于提起和转运物体的“抓手”,也制成了悬臂。研究人员还将这种机器人折叠成了“花”,花瓣可以向不同的方向弯曲。研究人员开发了一个设计软件,用于调整机器人形状、材料厚度以及磁场强度和方向等。

“我们可以让它保持一个特定的形状,然后我们可以让机器人恢复到原来的形状或者进一步改变它的移动。这些是可重复的。”这篇论文的通讯作者、北卡罗莱纳州立大学材料科学与工程教授Joe Tracy说。

研究人员利用发光二极管(LED)发出的光来加热在正常条件下相对坚硬的材料,使得聚合物变得柔韧。然后,他们证明了机器人的形状可以通过施加磁场进行远程控制。

当机器人获得一个研究人员想要的形状后,研究人员关闭LED灯,机器人就会恢复原来的硬度,进行定型。在一项实验测试中,研究人员使用这种软体机器人作为“抓斗”来提升起和运输物体。此外,它可以折叠成花瓣向不同方向弯曲的“花”。

现在,他们正致力于设计能在不同温度下反应的聚合物,以满足特定应用的需要。

软性机器人可能是未来的发展方向,软体机器人是一种新型柔软机器人,能够适应各种非结构化环境,与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作,一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料;区别于传统机器人电机驱动,软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料;一般有介电弹性体(DE)、离子聚合物金属复合材料(IPMC)、形状记忆合金(SMA)、形状记忆聚合物(SMP)等等,从响应的物理量暂时分为如下几类:电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。

科学家依此设计了各种各样的软体机器人,大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物,如蚯蚓、章鱼、水母等,但它们的使用也面临着挑战,有些应用需要坚硬的材料来保持形状,而柔软的材料则无法完成这项工作。

现在,科学家们已经向克服这一挑战迈出了一步,他们发明了可以重新配置成坚固形状的软机器人。

它的工作原理是用一种聚合物制造机器人,这种聚合物中嵌入了微小的铁颗粒,使机器人具有磁性。大多数情况下,这种材料是坚固的,并保持其形状。但如果它是用LED灯加热,它会变得柔韧,可以重新配置成不同的形状。一旦采用这种柔韧的形式,机器人就可以通过施加磁场来控制。为了“锁定”形状,科学家们只需移除LED灯。

制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发明的软光刻技术。其生产过程是:借助电子元件让光照射模具的表面,致使覆盖在图案上一层薄薄的高分子膜曝光,以此溶解没有图案的区域。软光刻技术是以柔软聚合物模具为载体,这是一个相对比较简单的制造过程,而结构重塑是在此问题上,进一步提升了软体机器人的构成方式。

北卡罗来纳州立大学材料科学与工程教授、论文的合著者乔·特蕾西在一份声明中说:“我们对可重构性特别兴奋。”“通过对材料特性的工程设计,我们可以远程控制软机器人的运动;我们可以让它保持一个给定的形状;然后我们可以将机器人恢复到原来的形状或进一步修改其运动;我们可以重复这样做。就这项技术在生物医学或航空航天应用中的效用而言,所有这些都是有价值的。”

科学家们对这些机器人进行了测试,发现它们可以被配置成“抓取器”,用来提升和移动物体,或者被配置成“花”,花瓣可以折叠和弯曲。“我们不局限于二进制的配置,例如抓取器是打开的或关闭的,”该论文的主要作者、博士生杰西卡·刘解释说。“我们可以控制光线,以确保机器人在任何时候都能保持其形状。”

研究人员的下一步是调整软机器人所用的材料。如果他们能制造出在不同温度下反应的聚合物,他们将能够在不同的环境中使用机器人。同时研究人员开发了一个设计软件,用于调整机器人形状、材料厚度以及磁场强度和方向等。

人类对于仿生的软体机器人应用由来已久,下图显示了动物和机器人的运行速度与身体重量的关系:

这个图表显示了一些哺乳动物(紫色区域)、节肢动物(橙色区域)和软体机器人(蓝色区域)与体重的相对运行速度。 对哺乳动物和节肢动物来说,相对速度与体重呈强烈的负相关关系,速度随体重的减少而增加。对于软体机器人来说,这种关系是相反的,随着体重的减少,速度会降低。而清华大学和加州大学伯克利分校的研究人员制造的小型软体机器人与活体动物类似,当体重减少时,速度就会提高。

图表左上角的数字39,是1916年在加利福尼亚的一块岩石下发现的一种微小的螨虫。这种螨虫的大小不到1毫米,每小时可以跑0.8公里,也就是每秒322个身长,这使它成为迄今为止地球上相对于体型而言最快的陆地动物。

相对于人类的体型来说,速度应该是每小时2000多公里。图表的左上角几乎所有的东西都是昆虫,它们的速度随着质量的减小增加。图表中速度与质量比令人印象深刻的27号机器人,是来自UMD(马里兰大学帕克分校)的磁力驱动四足机器人,还有86号,是加州大学伯克利分校的3D打印机器人X2-VelociRoACH。

而本次仿生学的最大突破在于,科学家已经不局限于对于软体生物本身的模仿和应用,也不受到原本的仿生学动物包括载重,形状的局限,而是在此基础上,提出了新的思路。将原本的软体动物的形态和坚硬度局限,通过科学手段,进行能力再挖掘,使得其效率和能力得到了突破性的提升。

论文通讯作者、美国北卡罗来纳州立大学材料科学和工程学教授乔·特拉西说,可以远程控制机器人运动,并使其变化为特定形状,还能使其恢复原状并反复操作。这项技术未来有望在生物医学和航天领域得到应用。

文章来源:新华社

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