1. 首頁 > 生活百科 > >

水凝膠軟體機器人實現越野爬行，甚至可做“馬達”移動重物

知識經驗

【水凝膠軟體機器人實現越野爬行，甚至可做“馬達”移動重物】

水凝膠軟體機器人實現越野爬行，甚至可做“馬達”移動重物

文章插圖
中科院寧波材科所的實驗室里 ， 這個小小的機器人正在“沙地”和“高山”上“翻山越嶺” 。別看人家爬得慢，它不僅能實現全地形越野多維運動，還能作為“馬達”搬運比自己重很多的貨物！不愧是“小小的身體，蘊含巨大的能量” 。尺蠖可以用簡單的身體彎曲和交替摩擦在粗糙的樹枝上爬行 ， 詳細來說，就是前腿先抓住樹枝，然后身體拱起彎曲時，后腿會同時向前并抓住樹枝，松開前腿向前運動，再次彎曲身體 ， 形成一個運動循環 。這種生物現象激發了很多軟體機器人的開發 ， 但與生物相比，現有的軟體機器人仍然很難適應復雜地形，或在二維或三維空間自由移動，只能單向運動、或在單基質表面運動 。為了解決軟體機器人單一運動的問題，中科院寧波所的科研人員基于智能變形水凝膠制作了這款軟體機器人 。漢Ｃ嗌顯偕ひ徊闥?ldquo;海綿”顧名思義，具有開孔結構，能快速從培養皿中吸收或排出水分，可在5秒內收縮到自身體積的40% 。而外層的水凝膠是通過界面擴散聚合(IDP)策略在“海綿”表面被動生長的，它能夠很牢固地固定在“海綿”上 。這樣一來，復合水凝膠能夠快速響應外部溫度變化，從而快速彎曲變形 ?；诖?，研究人員制作了雙層水凝膠致動器 。理論上說，如果表層的凝膠越厚，輸出能量也會增大，但增加的厚度會影響驅動性能，普通的凝膠變形策略正是如此: 通過減小自身厚度來加快響應速度 。值得一提的是，PNIPAm復合水凝膠與普通水凝膠不同，即使該凝膠厚度增加到2mm,其驅動速度也不會有較大損失 。因此，在保證凝膠驅動變形速度的同時 ， PNIPAm復合凝膠能具有更大的體積從而能將自身更多的化學轉化為機械能 。接下來 ， 為了使復合凝膠更好得變形可控，科研人員將Fe304納米顆粒引入外層的水凝膠中，在同樣強度的紅外線照射下 ， 加了Fe304后可迅速升高到65°C，相比之下沒加的水凝膠僅是它的一半，35°C 。夯魅說腦揭芭佬幸皇焱夤饈紫日丈湓諢魅送凡浚?PNIPAm凝膠海綿感受到Fe3O4納米顆粒的發熱而迅速變形，并能與粗糙基底形成“卯榫結構” ， 從而增大摩擦力 。隨后，紅外光逐步移向機器人中部，并不斷觸發身體的熱彎曲收縮，使得機器人整體收縮前進 。當紅外光移動到機器人尾部時，對稱相反的結構使得尾部凝膠向上彎曲從而抬起頭部 ， 與基底的卯榫結構打開，解除錨定 。最后 ， 移除紅外光，機器人頭部的凝膠會快速回復到初始狀態從而觸發下一次循環，可以實現機器人持續地爬行過程；同時，在這種動態的卯榫錨定模式下，機器人可以適應多種粗糙表面，甚至可在普通的自然沙地上實現快速爬行 。得益于界面擴散聚合(IDP)策略對凝膠結構的編程，只有兩只腳的機器人可進一步仿生進化出六只觸手！看起來像只小海星 。通過水凝膠觸手之間的互相配合，“小海星”能實現快速的二維爬行 。并且通過觸手的程序化變形 ， “小海星”還可在爬行過程中不斷調整自身體積，從而適應地形的變化，并成功穿越隘口，山谷以及山脊等一系列復雜地形 。ɑ鼓蘢雎澩鏌貧蹺镎庀鈦芯糠⒈碓詼ゼ餛誑禨cience》的合作期刊《Research》 ， 研究成員來自中國科學院寧波材料技術與工程研究所智能高分子材料團隊，第一作者兼通訊作者為陳濤研究員，并與浙江大學、之江實驗室的鄭音飛教授合作 。論文標題為“The Dynamic Mortise-and-Tenon Interlock Assists Hydrated Soft Robots Toward Off-Road Locomotion” 。DOI: org/10.34133/research.0015在論文的結尾，作者提到：PNIPAm凝膠海綿強大的機械能輸出能力，使其不僅能作為一個爬行機器人，還能作為“馬達電機”來移動比自身大幾倍的貨物，在組裝多個水凝膠電機后，即使是靜止的貨物也可以被激活并爬行到二維粗糙基板上方或越過復雜的沙地 。該策略有利于軟體機器人的設計和制造，并可能引起可變形材料、貨物轉移和信號裝置等相關領域的關注 。這項研究得到了國家重點研發計劃（2022YFB3200071）、浙江省自然科學基金（LD22E050008 ， LD22A020002）、浙江省重點研發計劃（2022C01002）、中國科學院青年創新促進會（2019297）、浙江省醫藥衛生重點科技項目、國家衛生健康委員會科研基金（WKJ-ZJ-2009）和國家重大科研儀器開發項目（81827804）等項目的支持 。

    推薦閱讀