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MIT科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)磁性機(jī)器人可以行走、爬行和游泳

2023-09-05 08:52 性質(zhì):原創(chuàng) 作者:Mulan 來源:AGV
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美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程以及腦與認(rèn)知科學(xué)教授 Polina Anikeeva 在她的實驗室里。(圖片來源:Steph Stevens/麻省理工學(xué)院麥戈文研究所)由簡單磁場驅(qū)動的創(chuàng)新型軟體機(jī)器人十分適合在狹...

美國麻省理工學(xué)院材料科學(xué)與工程以及腦與認(rèn)知科學(xué)教授 Polina Anikeeva 在她的實驗室里。(圖片來源:Steph Stevens/麻省理工學(xué)院麥戈文研究所)

由簡單磁場驅(qū)動的創(chuàng)新型軟體機(jī)器人十分適合在狹小環(huán)境中操作。這些機(jī)器人是由磁性橡膠螺旋構(gòu)造而成,能夠響應(yīng)編程來行走、爬升和游動,這些活動都是基于簡單且容易操作的磁場。

美國麻省理工學(xué)院K. Lisa Yang 腦體中心的主管,同時也是電子實驗室的教授Polina Anikeeva表明:“這是首次實現(xiàn)通過一維磁場來控制機(jī)器人的三維運動。”該團(tuán)隊在6月3日在《先進(jìn)材料》期刊上發(fā)布了一篇關(guān)于磁控機(jī)器人的開放獲取文章?!坝捎谶@些機(jī)器人主要由柔軟的聚合物構(gòu)成,因此只需很小的磁場就能激活它們,推動它們的是一個非常微弱的磁場?!?/p>

這些創(chuàng)新型機(jī)器人特別適用于在受限空間中運輸物品,它們?nèi)彳浀南鹉z構(gòu)造對易碎環(huán)境相當(dāng)溫和,這為其在生物醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)造了可能性。Anikeeva及其研究團(tuán)隊已經(jīng)生產(chǎn)出了毫米級的機(jī)器人,但她也表示,使用相同的制造方法也能生產(chǎn)更小型的機(jī)器人。

Anikeeva解釋稱,迄今為止,磁性機(jī)器人是隨著磁場的變化而移動的。她說,在這些模型中,“如果你想讓機(jī)器人行走,相應(yīng)的磁鐵也需要移動。如果你想讓機(jī)器人旋轉(zhuǎn),你需要轉(zhuǎn)動你的磁鐵?!边@限制了這類機(jī)器人能夠工作的環(huán)境?!霸谝粋€高度受限的空間內(nèi),移動磁鐵可能并不是最安全的做法。你會希望有一臺固定的設(shè)備,只針對樣本施加磁場?!?/p>

Youngbin Lee 博士,一個已經(jīng)畢業(yè)的Anikeeva實驗室研究生,設(shè)計了解決這一問題的方案。他研發(fā)的機(jī)器人不是均勻地磁化的,而是在不同部位和方向上被有策略地磁化,從而能通過單一磁場來實現(xiàn)分布式磁力驅(qū)動。

在進(jìn)行磁化之前,需要先構(gòu)建出柔軟而輕便的機(jī)器人主體。Lee采用了兩種不同硬度的橡膠,將其合并,然后通過加熱和拉伸成細(xì)長的纖維。由于這兩種材料的屬性各異,一種橡膠在被拉伸時能保持其彈性,而另一種則會變形并且不能恢復(fù)原狀。因此,當(dāng)應(yīng)力釋放時,纖維的一側(cè)會收縮,進(jìn)而帶動另一側(cè),使整個纖維卷成緊繃的線圈。Anikeeva提到,這種螺旋狀的纖維是受到了黃瓜植物卷須的啟發(fā),當(dāng)其中一層細(xì)胞比另一層更快地失水時,卷須便會呈現(xiàn)出螺旋形狀。

引入了第三種可能成為磁性的材料顆粒,這些被嵌入到橡膠纖維的通道中。這樣,在纖維形成螺旋后,就可以通過特定的磁化模式來實現(xiàn)預(yù)定的動作。

Anikeeva說:“Youngbin非常細(xì)致地計算了如何磁化這些機(jī)器人,以便它們能按照他的編程進(jìn)行運動?!薄八_地計算了,當(dāng)我們施加磁場時,如何在其上形成這樣的力分布,使機(jī)器人能夠開始行走或爬升。”

比如,為了創(chuàng)建一個像毛毛蟲那樣能爬行的機(jī)器人,螺旋纖維被塑成了輕微的波浪形狀,然后對其身體、頭部和尾部進(jìn)行磁化。這樣,施加垂直于機(jī)器人運動平面的磁場會使機(jī)器人體積壓縮。當(dāng)磁場減至零時,壓縮解除,爬行機(jī)器人開始展開,這些動作共同推動機(jī)器人前進(jìn)。另一種設(shè)計的機(jī)器人有兩個足狀的螺旋纖維,它們通過關(guān)節(jié)連接,其磁化方式使得其行動更像是行走。

這種精確的磁化技術(shù)為每個機(jī)器人設(shè)定了一個特定的程序,確保了一旦機(jī)器人被制造出來,就能容易地進(jìn)行控制。一個弱磁場就足以激活每個機(jī)器人的預(yù)定程序并推動其特殊類型的動作。一個單一的磁場甚至能讓多個機(jī)器人朝反方向移動(如果已進(jìn)行過相應(yīng)的編程)。研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn),只需簡單地反轉(zhuǎn)磁場方向就能使機(jī)器人改變運動方向。

Anikeeva說:“現(xiàn)在,我們正在考慮如何將這些機(jī)器人應(yīng)用到生物醫(yī)療領(lǐng)域中。由于它們是由柔軟的橡膠制成,因此可以很輕松地穿過血管和其他細(xì)小的身體通道。”同時,她表示這種機(jī)器人還有其他多種應(yīng)用,如進(jìn)行精確的環(huán)境監(jiān)測、藥物輸送,甚至是無線電藥物釋放。“

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