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堪比世上最小蚂蚁的机器人!或可用于修复人体内部损伤

2019-10-23   

中国电源产业网

导语:微型机器人的成规模应用一直是科学家的研发重点。近日,美国佐治亚理工学院研发出一种通过振动来移动的微型3D打印机器人,应用领域非常广泛。未来,它们可以共同工作来感知环境变化、移动材料,或许有一天还能用于修复人体内部损伤。

微型机器人的成规模应用一直是科学家的研发重点。近日,美国佐治亚理工学院研发出一种通过振动来移动的微型3D打印机器人,应用领域非常广泛。未来,它们可以共同工作来感知环境变化、移动材料,或许有一天还能用于修复人体内部损伤。

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利用振动移动的最小机器人

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佐治亚理工学院研究人员研发出一种靠振动来移动的微型3D打印机器人。小机器人的来回运动看起来就像在刷毛一样,因此又被称为“微型刷毛机器人(micro-bristle-bots)”。

微型刷毛机器人长仅2毫米,这大概是世界上最小的蚂蚁的大小。将机器人放置到1美分硬币旁,大小对比非常明显,被业界认为是由振动驱动的最小的机器人,以至于有时候研究人员不得不用镊子来拾取它们。但是尽管体积小,它却不会受物理限制而困守一方,1秒钟内它能够移动自身长度4倍的距离,身体非常灵活。

微型刷毛机器人由粘合在聚合物主体上的压电致动器组成,致动器产生振动,并通过外部供电(因为没有足够小的电池可以安装到如此mini的机器人身上)。引起振动的源头有很多,可以来自表面下方的压电振动筛,或者是超声波、声纳源,甚至仅仅是微型的扬声器。

振动使机器人的弹力腿向上和向下移动,从而推动机器人前进。研究人员称:“微型刷毛机器人的腿部设计有特定的角度,使它们能够在一个方向上弯曲和移动,以响应振动。”每个机器人都可以根据腿部尺寸和形状设计的不同来响应不同的振动频率。而振动幅度的不同则可以控制机器人移动的速度。研究人员通过调整振动频率和振动幅度就可以控制单个机器人的运动。

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工艺的魅力与设计的妙思

微型刷毛机器人的研发也经历了一番辛苦,它是从3D打印机中制造而出的,使用了双光子聚合光刻(TPP)工艺。TPP工艺聚合了单体树脂材料的技术,当紫外线照射下的树脂块一部分被化学处理后,剩余部分就可以被冲走,留下所需的机器人结构。“这项工艺目前需要花费较长的时间,因此我们正在研究改进方法,从而能够实现微型机器人的批量制造。”研究人员说。为了确定理想的配置,他们制作了数百个微型结构,有四条腿的,还有六条腿的。

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机器人材料的选择也凝聚了研发人员的妙思。构成机器人的压电致动器采用了锆钛酸铅(PZT)材料,在施加电压时会产生振动。同时,它们也可以在振动时产生电压。因此当机器人受外部振动驱动时,它可以利用这个功能为所携带的传感器供电,形成节能微循环。

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为跨学科研究提供更多可能性

目前,研发团队正致力于将两个不同的微型刷毛机器人连接在一起,来增加它们的转向能力。可响应不同频率和振幅的机器人组合起来让运动有了更多可能性。“一旦你拥有一个完全可操纵的微型机器人,你可以想象做很多有趣的事情,”研究人员说。

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还有些研究人员致力于利用磁场产生运动的微型机器人。虽然这对于一次移动整个群体很有用,但是磁力不能轻易用于控制群组中的个体机器人。他们也有兴趣开发可以跳跃和游泳的微型机器人。

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研究人员说:“我们正在努力使技术更加成熟,这里面有很多潜在的应用。我们从事的是力学、电子学、生物学和物理学的交叉研究,这个领域很丰富,为跨学科概念提供了很大空间。例如,我们可以观察蚂蚁的集体行为,并将我们从中学到的东西运用到我们的微型机器人身上。”同时他们也表示,虽然这些微型刷毛机器人在实验室环境中行走得很好,但在它们投入应用之前,要做的事情还有很多。

目前,关于微型刷毛机器人的论文已经在《微机械与微工程期刊(Journal of Micromechanics and Microengineering)》上发表。这项研究得到了佐治亚理工学院电子与纳米技术研究所种子基金的资助。

来源:中国电源

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