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​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

小编今天竟然亲眼目睹办公用品成精,会自己走路了!电话线自己会爬,有图有真相:回形针也像是长出了腿,大步流星,昂首阔步地走着:我不会出现幻觉了吧?再揉揉眼仔细一瞧,什么嘛?原来是机器人。虽然外表看着不像,不过它确实是货真价实的机器人,属于软体机器人的一种,而且来头还不小,这是麻省理工学院(MIT)的最新研究成果,除了走路之外,还会游泳!不知道你有没有注意到,这个小机器人在运动时没有外接任何电缆或者设备,那它是怎么做到运动自如的呢?答案就是:磁场。以上其实是⌈三维磁性软体机器人⌋,结合了纤维执行器和磁性弹性体

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    小编今天竟然亲眼目睹办公用品成精,会自己走路了!电话线自己会爬,有图有真相:

    ​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

    回形针也像是长出了腿,大步流星,昂首阔步地走着:

    ​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

    我不会出现幻觉了吧?再揉揉眼仔细一瞧,什么嘛?原来是机器人。

    虽然外表看着不像,不过它确实是货真价实的机器人,属于软体机器人的一种,而且来头还不小,这是麻省理工学院(MIT)的最新研究成果,除了走路之外,还会游泳!

    ​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

    不知道你有没有注意到,这个小机器人在运动时没有外接任何电缆或者设备,那它是怎么做到运动自如的呢?

    ​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

    答案就是:磁场。

    以上其实是 ⌈三维磁性软体机器人⌋,结合了纤维执行器和磁性弹性体,利用单向磁场控制,可以实现爬行或走路等多种运动模式,还能充当货物运输工具,未来能够在复杂难以部署的受限环境中得到很好的应用。

    ​一次可造1000多个机器人!MIT赵选贺团队创新设计解决业界多年难题

    除了机器人的表现外,它的制作方式和控制方法也是相当创新的,其可扩展能力甚至能够达到同时制造一千多个机器人,解决了目前磁性机器人的制造难题!

    ▍磁性机器人制造与控制方法的难题

    在软体机器人领域中,驱动方式的选择会直接影响机器人的表现和功能。

    磁场比光、压力、热、电场等更具有优势,因为磁场环境的部署不受任何束缚,也不受材料的限制,就连弱磁场也能穿透非磁性和弱导电介质。相比之下,光、压力、热和电场等其他驱动方式无法穿透某些物质,或者需要更高的能量消耗。

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    这些优势激发了大量的磁性软体机器人研究,应用于外科、活检、药物。尽管如此,磁性软体机器人依然受到制造和控制的挑战。迄今为止,它们主要由二维结构成型或立体光刻工艺,但对于需要更复杂的三维结构的应用来说,目前还没有简单快速且可扩展的制造方法。

    同时在控制方面,目前磁性软体机器人大多依靠多个磁铁或电磁线圈组成的设备,复杂又笨重,缺少一种可以适应多种机器人的磁场控制方案。

    总之,制造方法的创新与控制方案的简化是目前研究的重中之重,如果真的出现这样一种方案,不仅可以增强机器人的实用性,还可以扩大其在生物医学和工程学中的应用。

    ▍一次造1000多个,灵活扩展超乎想象

    说了这么多,到底MIT是如何解决磁性驱动中制造方法与控制方案的难题呢?

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    先讲制造方法,不难看出,这个像电话线的机器人整体呈螺旋结构,可以看作是一种连续的三维结构,研究人员利用了两种具有不同变形能力的弹性体:SEBS(苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯)和COCe(环烯烃共聚物弹性体),将两种弹性体组合成空心结构,内部空心填充带有铁磁性的复合材料。

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    空性结构的一侧是 SEBS,另一侧是COCe,然后进行数百米的热拉伸,弹性体可以承受超过 600%的应变,由于COCe的塑性变形比 SEBS 大,在热拉伸和仪器处理后,可以自然形成螺旋状结构。

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    到这里,一个具有磁控能力的“电话线”软体机器人就初步成型了,但要想要让其按需运动,还得规定它的运动方式,比如模仿毛毛虫的蠕动前行。

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    研究人员对“电话线”进行了永久磁化,他们将其放在模具上并施加强力磁场,这样一根没有灵魂的“电话线〞 就有了像毛毛虫一样的头部、身体和尾部,这样在施加不同强度的磁场时,机器人可以用不同的速度爬行。

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    改变一下永久磁化的姿势和部位,机器人还能实现双足运动。机器人类似于“回形针”结构,具有两个“脚”和一个“关节”。当站立起来用“双腿”行走时,脚部的螺旋线圈负责增加与地面的接触摩擦,关节负责让两条腿向相反方向撑开。

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    这是一种非常灵活的制造方式,可扩展和编程能力非常强,对于固定的架构,可以大规模制造多个机器人。例如,多个磁性弹性纤维段可以同时拉伸,还可以同时在大体积电磁铁中永久磁化,这样一来,甚至能够实现在一个步骤中制造1000多个软机器人,大大简化了开发过程!

    ▍单向磁场灵活部署

    除此之外,这种结构也能够简化磁场环境的部署,只需要固定电磁铁施加的单向磁场就足够了。“电话线”机器人处于运动平面正交的磁场中,随时间在 0 到 45 mT 之间、频率高达 10 Hz 呈正弦变化。

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    在毛毛虫的运动模式中,当磁场增加时,头、身体和尾部之间的吸引力会产生双重折叠,从而产生应变,通过改变振荡场的频率,可以增加折叠循环的次数和爬行速度。

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    双足行走模式的磁场环境则略有不同,施加的不是正弦波,而是传递锯齿波,磁场从0增加到23-25mT,然后急剧下降到0mT,从而在每个周期中快速释放弹性能量。

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    利用磁场的切换,还能实现货物的装载和释放,或机器人之间的协同工作,举个简单的例子:两个机器人向相反的方向行走。

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    ▍研究者介绍

    这项研究发表在《Advanced Materials》(先进材料)杂志中,论文标题为“Magnetically Actuated Fiber-Based Soft Robots”(磁驱动纤维软体机器人)。

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    文章的第一作者是MIT的博士后研究员Youngbin Lee,2022年博士毕业于MIT,在科研工作期间,Youngbin 解决了打破纤维轴对称性的重大工程挑战,以后将继续使用纤维来构建可穿戴传感器和机器人。

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    在论文的作者一栏中,还出现了一个熟悉的名字——赵选贺教授。

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    赵选贺是MIT的终身教授,师从国内著名力学家锁志刚院士。赵选贺教授长期致力于推动人机交互和融合科技,Google Scholar显示他发表的文章总被引次数超过了17000次,H因子为63。当前,赵选贺课题组的研究成果已经产生了广泛的社会影响。

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    这项研究成果对于软体机器人的发展和应用具有重要意义,尤其是在受限环境中的应用,如外科手术、药物输送和活检等。通过创新的制造和控制方法,磁性软体机器人有望在未来发挥更大的作用,为解决复杂任务和应用中的挑战提供新的解决方案!

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