IT之家 12 月 5 日消息,據(jù)清華大學(xué)官網(wǎng)消息,近日,清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧教授課題組開發(fā)了具有構(gòu)型可定制和剛度可主動調(diào)節(jié)能力的三維電驅(qū)動軟驅(qū)動器,并基于此設(shè)計并制備了一種多步態(tài)微型軟體機器人(體長從 6 毫米到 90 毫米,質(zhì)量從 0.2 克到 3 克),其能夠在不同形貌表面(例如平面、圓柱面、波浪面、楔形槽表面和球面)攀爬,并在兩個不同表面之間過渡。
具備攀爬能力的微型機器人由于其微小的身軀,可以代替人類進入復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù),在探測、生醫(yī)等方面有著巨大應(yīng)用價值。由軟材料組成的類肌肉軟驅(qū)動器可以為機器人提供極佳的靈活性、適應(yīng)性和機械魯棒性,相應(yīng)的微型軟體攀爬機器人也得到了研究者的廣泛關(guān)注。然而,如何實現(xiàn)微型軟體攀爬機器人在多種形貌表面上攀爬,甚至在兩種不同表面之間過渡,仍然存在巨大挑戰(zhàn)。
在該研究中,課題組基于液晶彈性體的定制化驅(qū)動應(yīng)變設(shè)計策略和屈曲組裝方法,開發(fā)了一系列具有可定制三維變形能力的小尺度電熱驅(qū)動器,其具有豐富的三維構(gòu)型和多樣的驅(qū)動變形能力。通過對比現(xiàn)有的電驅(qū)動三維驅(qū)動器(限定在非液體工作環(huán)境中),該類驅(qū)動器在毫米尺度(從 1 毫米到 10 毫米)可實現(xiàn)復(fù)雜的變形效果以及最大的彎曲變形角度。此外,該驅(qū)動器在溫度作用下還具有形狀可恢復(fù)以及剛度可調(diào)控的特性(圖 1)。
基于上述可定制三維驅(qū)動器制備得到的微型軟體攀爬機器人包含可重構(gòu)靜電吸附腳掌、可變形身軀和智能關(guān)節(jié)三部分。通過對機器人變形性能以及腳掌吸附性能的表征與分析,可實現(xiàn)機器人在圓柱面內(nèi)外側(cè)、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。受浮游生物水螅多種運動步態(tài)的啟發(fā),通過對可變剛度“智能關(guān)節(jié)”的控制,實現(xiàn)了機器人在步進、“翻筋斗”前進和翻轉(zhuǎn)過渡三種運動步態(tài)之間的按需切換。最終,機器人可以在不同材質(zhì)、不同粗糙度、不同形貌墻面攀爬,并在兩種不同墻面之間過渡(圖 2)。
張一慧介紹,“解鎖”了這一新技能后,該微型軟體攀爬機器人可進入一些狹窄、復(fù)雜的環(huán)境中,代替人類執(zhí)行探測等作業(yè)任務(wù)。例如在飛機發(fā)動機、煉油機等復(fù)雜系統(tǒng)中,該機器人可以經(jīng)歷各類管道、齒輪等曲面結(jié)構(gòu),到達指定位置進行故障檢測等任務(wù)。
IT之家了解到,相關(guān)研究成果于 11 月 28 日在《美國科學(xué)院院報》(PNAS)以“一種基于可變形三維驅(qū)動器的可在復(fù)雜表面攀爬和過渡的微型軟體機器人”(A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces)為題發(fā)表。
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