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新型机器人:采用响应型材料,在水中自动推进!

IntelligentThings2019-01-10 16:23:35

导读


近期,美国加州理工学院与瑞士苏黎世联邦理工学院开发出一种能靠自力推进的机器人,它无需使用任何马达、伺服或者电源。取而代之的是,这种机器人的材料随着温度变化而产生变形,从而首次使它实现了自动划水。


背景


一般来说,机器人的行动与工作往往需要依赖马达、伺服或者电源。但是,也有些机器人可以摆脱这些复杂的设备,靠“自己的力量”行动。


例如,笔者之前介绍过波兰华沙大学物理学院的科研人员采用液晶弹性体技术开发出柔性毛虫机器人它的身体由光敏弹性体和分子排列而成的条纹构成。


液晶弹性体,是一种能在可见光照射下,产生巨大形变的智能物质。光致变形,可让机器人开展一系列复杂动作。例如,机器人将可以爬上斜坡,紧缩身体穿过狭缝,以及推动十倍于自身重量的对象。



(图片来源:华沙大学物理学院)


创新


华沙大学开发的机器人所响应的环境因素是光线,然而今天我要为大家介绍一款响应温度变化的自力推进机器人。


(图片来源:Tian Chen 和 Osama R. Bilal)


近期,美国加州理工学院与瑞士苏黎世联邦理工学院开发出一种能靠自力推进的机器人,它无需使用任何马达、伺服或者电源。取而代之的是,构造这种机器人的材料会随着温度变化而产生变形,从而使得机器人首次实现自动划水。


一篇揭示此类机器人的相关论文发表于5月15日的《Proceedings of the National Academy of Sciences》杂志。


技术


这种新型推进系统依赖于柔性聚合物条带,它受冷时会卷缩,受热时会伸展。聚合物用于激活机器人体内的开关,它相应地粘贴于船桨,船桨使它像小船一样向前划动。


(图片来源:加州理工学院)


开关由双稳态元素制成,这是一种具有两种不同的稳定几何形状的成分。在这个案例中,它由弹性材料条带构成,当受到聚合物推动时,会从一个位置迅速切换到另一个位置。


(图片来源:加州理工学院)


(图片来源:加州理工学院)


当冷的机器人放置在热水中时,聚合物会伸展开来,激活开关,从而突然释放大量能量推进机器人前进。聚合物条带也可以通过“调整”,每次作出不同的响应。也就是说,相比于较薄的条带,较厚的聚合物条带将需要更长时间加热,舒展,并最终激活机器人的。这种可调谐性使得团队可以设计出以不同速度转向和移动的机器人。


(图片来源:加州理工学院)


这项研究建立在加州理工学院应用科学与工程系机械工程与应用物理教授、论文通信作者 Daraio 和加州理工学院航空航天学教授 Dennis Kochmann 之前的研究基础上。他们采用双稳态元素链传输信号,构建类似计算机的逻辑门。


在最新的迭代设计中,Daraio 团队与合作者们能连接聚合物元素,并以一种特殊的切换方式让四桨机器人依靠自力推进,向前行驶,卸下小型装载物(这个案例中,是刻有加州理工学院印章的标记物),然后在向后滑动行驶。


(图片来源:加州理工学院)


价值


这项研究模糊了材料与机器人之间的界限。在自力推进的设备中,材料自身就可以使得机器工作。


Daraio 表示:“我们的案例展示了,我们可以采用响应环境因素而产生形变的结构化材料,控制并推进机器人。”


论文共同第一作者、加州理工学院博士后访问学者 Osama R. Bilal 表示:“通过让简单的运动结合到一起,我们能将程序嵌入到材料中,展开一系列复杂动作。”


未来


未来,研究人员还将增加更多的功能与响应,例如采用对于pH 值或盐分等其他环境因素作出响应的聚合物。研究人员称,未来版本的机器人将容纳化学滴漏物,或者在更小区域释放药物。


目前,当双稳态元素切换并释放能量时,必须经过手动重置从而再次工作。下一步,团队计划拓展重新设计双稳态元素的方法,当温度再次变化时,使得它们可以自动重置。这样一来,只要水温保持变化,它们就有望能够实现无限期地游动


关键字


机器人、材料物理


参考资料


【1】http://www.caltech.edu/news/no-motor-no-battery-no-problem-82253

【2】Tian Chen, Osama R. Bilal, Kristina Shea, Chiara Daraio. Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201800386 DOI: 10.1073/pnas.1800386115




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