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受章鱼启发,软机器人对热量做出反应并以滚动运动移动。

时间:2023-10-19   访问量:116

由北卡罗莱纳州立大学机械与航空航天工程副教授尹杰领导的研究小组创造了一种手镯形软机器人,当暴露在高温或红外光下时,它可以在表面上爬行。机器人仅对外部刺激做出响应,不需要计算输入。它还能够在表面上拉动较小的有效载荷,并且足够灵活,可以穿过比其环尺寸更窄的开口。

正如机械工程中常见的那样,尹的发现受到自然界中存在的运动和结构的启发。在这种情况下,它是一只章鱼。


“当章鱼被关在一个一英寸大小的孔的笼子里时,它可以通过适应和收缩其柔软的身体,从这些狭窄的孔中逃脱。”尹说。“这让我们想知道是否有可能设计一个类似软体机器人的简化版本,它可以通过间隙尺寸小于软体机器人身体尺寸的密闭空间。”

 

“环形机器人”由称为液晶弹性体 (LCE) 的热响应软材料制成,形状像环形丝带,类似于手镯。当将环形机器人放置在至少 55°C (131°F) 的热表面上时,环形机器人与表面接触的部分会收缩,而环形机器人暴露在空气中的部分则不会收缩。。这会引起滚动运动在铃声机器人中。类似地,当暴露在红外光下时,环形机器人暴露在光下的部分会收缩,而遮光的部分则不会收缩,从而引起类似的运动。


早期,研究团队面临的最大挑战之一是让环形机器人沿着定义的方向爬行。当其第一个环形机器人设计被放置在热表面上时,环形机器人不断翻转,但没有向前运动。研究人员意识到,机器人无法自我爬行,因为它的体型过于对称,无法产生足够的运动摩擦力。

 

为了让它能够自我爬行,尹创造了一种混合环形机器人设计。他将戒指的左半部分改为扭曲的波浪形状,而右半部分则保持光滑,没有波浪或扭曲的特征。

 

“这打破了环形机器人左右半部之间的对称性,”尹说。“当环路不均匀地暴露在热量或红外光下时,软机器人会由于不对称摩擦而在表面上横向移动。”

当自动爬行环形机器人被放置在热表面上的 V 形墙内时,团队最大的惊喜来了。尹说:“环形机器人通过与墙壁的适应性相互作用,成功地自我挤压其柔软的身体,穿过狭窄的间隙,该间隙比其身体尺寸窄约 30%。” 当间隙变得太小而环形机器人无法通过时,它会通过与墙壁的相互作用来自我引导,从开口处爬走。


尹的研究代表了自主智能软机器人的一个例子。他指出,未来几年,软机器人实现自主性和智能化将越来越有吸引力,因为它可以大大减轻车载设备的控制负担。

 

他的研究团队的下一步计划是通过为软体设计新的形状,设计出让环形机器人穿过较小间隙的新方法,并使环形机器人在探索未知的有限空间和环境时更加智能。

 

“对于机械工程师来说,我们大多数人都在使用坚硬或坚硬的材料,如金属、陶瓷或半导体,这些材料对刺激呈惰性,”尹说。“这项工作展示了软材料的优点,包括它们对热或光的响应能力、自感知和自驱动能力,以及对环境的高度适应性,例如穿过狭窄的间隙。这项工作可以在环境监测中找到潜在的应用,特别是在难以进入的密闭空间和恶劣的环境中。”

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