机器人控制领域新进展:用磁场控制的软体机器人

研究者在控制所谓软体机器人方面取得重大进展,他们可以使用磁场远程操控软体机械设备中的微粒链。到目前为止,研究者已经开发出了多种使用该新技术的设备。

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近日,美国北卡罗来纳州立大学(NC State University)的研究者开发了几类软体机器人设备,这些软体机器人的成功源自于其控制领域的重大进展。其中一项新技术使用磁场来远程操控软聚合物中的微粒链(microparticle chains)。图片来源:Joe Tracy


在控制所谓软体机器人领域,一个工程研究团队取得了重大进展。他们使用磁场来远程操控软体机械设备中的微粒链(microparticle chains)。目前为止,研究者已经开发出多款使用该项新技术的设备。


「通过将这些自组装链(self-assembling chains)嵌入软体机器人,我们可以让其在保有相对简单设计的同时还可以进行复杂的活动任务。」Joe Tracy 说道,他是北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学院副教授,也是一篇针对这项研究的论文的通讯作者(corresponding author,译者注:可理解为课题负责人)。「从远程触发药物输送泵到远程可展开结构(deployable structures)的发展都是这些设备的可能应用场景。」


这项新技术基于早先 Tracy 和 Orlin Velev 在自组装、磁驱动复合材料领域的研究而开发。二人是北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程学的 INVISTA 教授(INVISTA 译者注:全球最大的综合纤维和聚合物公司之一)。


在这项研究中,研究人员将铁微粒引入了一个液态聚合混合物中(a liquid polymer mixture),然后他们使用一个磁场来诱导微粒形成并行的链条。当混合物干燥以后,会留下一个嵌有并排磁微粒(aligned chains of magnetic particles)的弹性聚合薄膜。


「通过控制磁场来控制磁性微粒链,我们可以远程操控聚合物来将其变为软体机器人,」Tracy 说道。


特别的是,磁场的方向和强度是可变的。当施加一个特定方向的磁场时,铁微粒链会因受到磁场作用而而调整自己的形状,从而其周边聚合物也会以同样的方向发生形变。


通过使用这项技术,研究者开发了三款软体机器人。其中一个是条悬臂,它可以提起最大超过自身 50 倍重量的物体。另一个是个手风琴状,模仿肌肉的可伸缩设备。第三个是管状设备,其设计目的是可以当做可蠕动泵:一个沿管子长度移动的扁长区域,这很像一个人沿着牙膏管道挤出其最后一点牙膏。


「为了提升软体机器人的潜力,我们正在研究如何可以同时提升这些设备的能力和对其的控制,」Tracy 说道。


同时,研究者们也开发了一个评估磁动力机器(如前面提到的悬臂)的度量标准。


「通过测量被举起的重量,以及考虑设备中微粒的质量和被施加磁场的强度,我们可以完成这个评估,」Ben Evans 说道,他是论文的联合作者,也是伊隆大学(Elon University)物理学副教授。「我们认为对于该领域那些想要经验地找到比较性能差异方法地研究者来说,我们的标准是很有用的。」


Chained Iron Microparticles for Directionally Controlled Actuation of Soft Robots(对软体机器人定向驱动中链状铁微粒的研究)


论文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b01209


摘要:链式磁性粒子(magnetic particles in chains)的磁场定向自组装(Magnetic field-directed self-assembly)对于开发软体机器人中的定向响应材料很有帮助。在过去,使用更加复杂的的材料才可以换来高级的功能,然而现在使用简单的设备构架也可以达到这个目的。本研究的设计包含了链状磁性微粒的弹性薄膜通过被溶剂浇筑(solvent casting),形成了由磁性驱动的升降机(lifter)、可伸缩机、阀门以及泵状机。链状磁性微粒结构不仅可以增强设备驱动性,也赋予了其随磁场响应而改变方向的能力。悬臂可被当做升降机使用,其最大载荷为聚合膜质量的 50 倍。我们引入「比扭矩(specific torque)」——扭矩/单位磁场强度/单位磁性微粒质量——作为评价和衡量升降机(lifter)和相关设备性能的优良指数。这项研究中的设备生成的比扭矩为 68 Nm/kgT,这略高于早期报道的设备。基于风琴状设备的方向,对折叠的风琴状设备应用的磁场造成了其结构的伸缩。在嵌入了磁性链的复合管的可蠕动泵中,磁场会造成管中被施加磁场域的夹闭。这些成果可促进未来基于链状磁性微粒的软体机器人发展,同时也将惠及对高比扭矩(higher specific torque)工程材料的研究。

入门机器人软体机器人工程分子科学
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