技術(shù)文章
Technical articles
由于自然界中生命的演變,生物往往表現(xiàn)出對復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性,例如超快運(yùn)動、偽.裝和群體合作。生物運(yùn)動的研究對仿生機(jī)器人以及醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建等工程領(lǐng)域具有重要啟示作用?;诖?,人們致力于開發(fā)新的仿真工具、物理模型和實驗平臺來模擬和研究這些自然運(yùn)動模式。然而,許多不同尺度的生物表現(xiàn)出非常復(fù)雜的運(yùn)動步態(tài),例如多種基本運(yùn)動的耦合。這些步態(tài)難以用現(xiàn)有的軟體機(jī)器人平臺模擬,而且這些平臺通常缺乏解耦復(fù)雜生物行為的策略,使得理解生物運(yùn)動的機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。 近日,香港中文大學(xué)張立教授課題組聯(lián)合北京計算科學(xué)研究中心丁陽教授課題組以及美國卡耐基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機(jī)器人平臺用于重建和解耦復(fù)雜生物運(yùn)動。該磁性軟體機(jī)器人可以通過模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節(jié)肢型的水凝膠磁性機(jī)器人,機(jī)器人身體由磁性段(由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成)和非磁性段(由聚丙烯酰胺水凝膠制成)組成。機(jī)器人的尺寸為長度5 mm、長寬比11:1。采用時變磁場來誘導(dǎo)軟體機(jī)器人的敏捷運(yùn)動。通過該軟體機(jī)器人平臺以及可編程的磁場輸入,該研究團(tuán)隊可以重建出搖蚊的幼蟲所啟發(fā)的運(yùn)動步態(tài)并對這類型的生物運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的解耦研究。相關(guān)研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。
通過構(gòu)建的磁性軟體機(jī)器人系統(tǒng),該研究團(tuán)隊揭示了機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)的相互耦合在其推進(jìn)中起著關(guān)鍵作用,以這種仿生推進(jìn)方式游動可以誘導(dǎo)與自然生物一致的流場結(jié)構(gòu),并在中等雷諾數(shù)狀態(tài)下實現(xiàn)優(yōu)異的運(yùn)動性能。此外,磁性軟體機(jī)器人能夠在流動的環(huán)境中逆流而行,通過切換其運(yùn)動模式來適應(yīng)三維環(huán)境,以及實現(xiàn)其他功能,包括越障能力和在狹窄空間中的運(yùn)動能力。與通過磁場梯度直接將機(jī)器人驅(qū)動到指.定位置的磁力控制策略相比,軟體機(jī)器人可以靈巧地控制其變形和運(yùn)動模式。 總結(jié)而言,這項工作提供了一個磁性軟體機(jī)器人平臺,使其能夠?qū)o脊椎動物的復(fù)雜運(yùn)動進(jìn)行解耦和重新編程,并掌握它們的基本機(jī)制。這也為設(shè)計具有復(fù)雜耦合步態(tài)的游動軟機(jī)器人提供了新的思路。
圖1. 軟體機(jī)器人的磁場控制和運(yùn)動分析。(A)機(jī)器人的模板輔助磁化方式;(B)沿著機(jī)器人中心線的磁通密度分布;(C)軟體機(jī)器人在不同靜態(tài)磁場下的變形和轉(zhuǎn)向;(D)用于控制軟體機(jī)器人的動態(tài)磁場;(E)軟體機(jī)器人在一個周期內(nèi)的運(yùn)動序列。
圖2. 軟體機(jī)器人的流場動力學(xué)模擬和流場可視化分析。(A)在一個周期內(nèi)軟體機(jī)器人的瞬時速度;(B)軟體機(jī)器人質(zhì)心軌跡的實驗和模擬結(jié)果;(C)在一個運(yùn)動周期內(nèi)施加到機(jī)器人身體上的凈流體力;(D)流場結(jié)構(gòu)的可視化。
圖3. 軟體機(jī)器人平臺用于解耦復(fù)雜生物運(yùn)動。(A)機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)之間的相位差對運(yùn)動性能的影響;(B)機(jī)器人身體的轉(zhuǎn)動角度對運(yùn)動性能的影響;(C)磁場強(qiáng)度對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響;(D)磁場頻率f2/f1 對機(jī)器人運(yùn)動性能和前進(jìn)速度的影響;(E)磁場頻率feq對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響。(F)機(jī)器人運(yùn)動方向和磁場方向角的關(guān)系。
圖4. 軟體機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動。(A)機(jī)器人沿著五角星軌跡的可控運(yùn)動;(B)機(jī)器人在動態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動;(C)機(jī)器人的三維游動和避障行為;(D)機(jī)器人在狹窄空間內(nèi)運(yùn)動;(E)機(jī)器人通過多種模式運(yùn)動探索三維空間。
原文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202109126