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可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

本文作者:付静 2020-09-25 18:18
导语:时隔四年,磁驱动软体机器人系统有了怎样的革新?

自然界中,鲜花随风飘动。

可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

实验室里,科学家们也做出了类似效果。

可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

不过,「会动的花瓣」背后的驱动力不是风,而是磁场。按照这一思路,由磁场驱动的可编程软体机器人也被设计了出来。

这一机器人背后的团队是一组来自马克斯 · 普朗克智能系统研究所物理智能部门、卡耐基梅隆大学机械工程系、土耳其科克大学医学院及工程学院、苏黎世联邦理工学院生物医学工程研究所的研究人员。

2020 年 9 月 18 日,该团队的研究成果正式发表于顶尖学术期刊《科学》子刊《科学进展》(Science Advances),题为 Reprogrammable shape morphing of magnetic soft machines(磁动力软体机器人的可编程形变)。

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软体机器人靠什么驱动?

软体机器人正在进入大众视野。

香港科技大学机器人研究院院长王煜曾在 2018 世界机器人大会上表示,从最基本的角度来看,软体机器人主要存在三大问题——如何定义软体机器人系统、如何设计/控制软体机器人系统、制造软体机器人系统的材料问题。

对于第二大问题,王煜教授认为:

我们不可能用铰链和传感来解决如何从软体机器人当中产生运动,以及更复杂地怎么控制运动。控制便成了非常麻烦的事情,因为有无穷多的自由度,要看怎么驱动软体机器人系统,最终怎么做到很好的控制。

也就是说,对于软体机器人来说,驱动方式是重要一环。

其实,软体机器人的发展离不开包括材料学、机器人学、生物力学、传感与控制在内的多学科进步,随着相关学科近年来的迅速发展,各种不同驱动方式的软体机器人开始涌现。

比如气体驱动——机器人与自动化国际会议 ICRA 2017 上,加州大学圣地亚哥分校机器人实验室公布了一款 3D 打印的软体四足机器人,这一机器人靠气体驱动,它的每条腿都由 3 条可伸缩的充气橡皮管制造而成。

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再比如光源驱动——2016 年,波兰华沙大学物理学院的研究人员设计了一款由液晶弹性体制成的软体机器人,暴露在可见光下时会发生形变,身体也会相应进行移动。

甚至是自我驱动——还是在 2016 年, 哈佛维斯生物工程研究所制造出了世界上第一个完全软体的自我驱动机器人,据说可以独立运行 4-8 分钟。当时这只「小章鱼」还登上了《自然》杂志。

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那么,前文所说的受到磁场驱动的软体机器人有先例吗?当然有。

同样是在 2016 年,美国科学家受鱼的启发,研发出一款「纳米鱼机器人」,其应用场景正是在人体内输送药物。这条小鱼受磁驱动,游泳的速度和方向由磁场的方向和力量决定。

可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

问题来了:时隔四年,磁驱动软体机器人系统有了怎样的革新?

二氧化铬微粒的高通量磁编程

首先要明确的是,科学家们将这一机器人称为「由磁场驱动的可编程软体机器人」,也就是说,这一机器人的突破就在于「可编程」。

科学家们表示,虽然磁驱动软体机器人已经应用到了微创医学、可穿戴设备等领域,但机器人内部的磁场分布都是按照预先设定好的模式进行制造的,无法重复编程。

用科学家们的话说就是:

目前的磁编程方法内在地耦合到了顺序制造过程,阻止了可重编程和吞吐量编程。

基于此,团队的策略是热辅助磁编程。

第一步是,通过激光局部加热磁性软材料,直至温度高于嵌入软体机器人系统中的二氧化铬 10 微米大小微粒的居里温度。

居里温度也叫居里点(Curie point),19 世纪末由皮埃尔·居里提出。它是指磁性材料中自发磁化强度降到零时的温度:

  • 温度低于居里点时,物质成为铁磁体,和材料有关的磁场很难改变;

  • 温度高于居里点时,物质成为顺磁体,和材料有关的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。

所以科学家们第一步要做的就是将嵌入软体机器人系统中永铁磁颗粒加热成为顺磁体,其磁场就能受外界影响。

可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

【居里夫人的丈夫皮埃尔·居里】

第二步是,在冷却过程中施加磁场,重新定向嵌入软体机器人系统中永铁磁颗粒的磁畴。

这里需要解释一下什么是磁畴(Magnetic Domain)。

我们都知道,分子、原子可以构成物质材料的基元(构成生物体的大分子上的局部区域),基元中电子绕着原子核运转就能形成电流,电流又可以产生磁场。

因此,每个基元都相当于一个很小的磁体,而大量基元就组成一个更大的结构,如果结构中所有基元都会产生同方向的磁场,那么这个结构就叫做磁畴。

按照上述策略,科学家们展示了高空间分辨率(~38 μm)的离散、三维和可重编程磁化。

可编程的磁驱动软体机器人来了!Science 子刊:背后原理 19 世纪末提出

上图 A 部分正是上述两步操作的示意图。

B 部分展示的则是,加热到二氧化铬粒子的居里温度(118℃)用了 1.7s,冷却到居里温度的一半用时 4s。C 部分显示,热辅助磁化达到 90%。

激发软体机器人的潜力

那么,这样的策略成效如何呢?

论文介绍,团队利用可编程磁化,成功改变了软体机器人内部的磁场分布。由此,辅助超材料结构的机械行为可得到重构,行走软体机器人的运动可得到调节,软夹也能实现自适应抓取。

如下图所示,一组具有不同三维磁化曲线的结构,在磁场的作用下可以转换成复杂的三维结构。

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另外,研究团队设计了一个三维磁化的“火柴人”结构。可以看到,不管是它的身体、肩膀、手臂还是头部,在磁场的驱动下,“火柴人”经历着复杂的三维形变。

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研究团队也通过磁化设计了一种可重编程的自适应软夹。

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不仅如此,科学家们还利用磁场分布转移制作出了智慧女神雅典娜的头像。

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总的来说,这一策略实现了 38 微米级别的高通量磁编程(速度高达 10 个复刻样品/分钟),也为开发多尺度、再编程的软体机器人提供了丰富的设计空间和大规模的制造潜力。

引用来源:

https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/38/eabc6414.full.pdf

动图截自:

https://www.bilibili.com/video/BV13J411E7Jo?from=search&seid=15234739728215685113

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