武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

這是個2厘米長、0.3克重、身段柔軟靈活的小玩意兒,能指哪去哪兒、上下陡坡、負載重物、適應各類表面、不懼高溫嚴寒……

近日,武漢大學工業科學研究院薛龍建教授課題組(NISE-Lab)研制出一種可精準控制方向和速度、綜合性能極佳的迷你軟體機器人Geca-Robot,預期可在廢墟狹縫、生物體內完成各種復雜作業。

相關論文近日發表於材料領域頂尖期刊Materials Today(《今日材料》,影響因子為24.372),並被選為內封面文章。論文題為“Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility”(《具備定向全地形運動能力的仿生有足軟體機器人》)。論文第一作者為博士生汪鑫,通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國傢重點研發計劃項目和國傢自然科學基金的支持。

武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

軟體機器人相較於傳統剛性機器人,往往具有更大的自由度和變形能力,在生產生活、醫療救援、航空航天和軍事等領域具有巨大的應用潛力,受到科研工作者的廣泛關註。然而,小尺寸軟體機器人的足部設計卻很少被註意到,許多機器人甚至缺乏足部設計。由於沒有良好的足部設計,軟體機器人往往需要粗糙表面或具有特殊結構的基底表面來提供前進運動的反作用力,運動過程很難精確控制。而且,在光滑、傾斜或是有水的表面等,機器人的運動能力可能也會受到限制。

“我們的研究靈感來源於兩種動物,即壁虎和尺蠖。”薛龍建介紹,他的課題組長期致力於仿生材料研究,他們發現,壁虎腳掌上的獨特剛毛結構可以使其在各種地形上進行穩定快速的運動,這正好可以解決目前小尺寸軟體機器人對運動表面適應性較差的問題。因此,他們嘗試向機器人上引入仿壁虎腳趾剛毛的足部,讓機器人具有良好表面適應性。

武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

借鑒壁虎腳黏附性能和尺蠖運動步態設計的軟體機器人Geca-Robot

這個小傢夥有著自己的“腳”和“肌肉”。它以仿壁虎剛毛的微米三棱柱陣列作為“腳”,以交替排列的透明PDMS條帶和石墨烯/PDMS復合材料(GP)條帶組成“肌肉”。步態則是借鑒瞭壁虎腳的取向黏附能力和尺蠖前後足交替運動模式。在光照(紫外到紅外光全波段均可)時,前足向前移動,關閉光照時,後足向前移動;交替的開關光照則驅動它不斷向前運動。

武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

紫外到紅外全波段運動

武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

上下坡運動

武漢大學薛龍建《Materials Today》內封面:可精準控制迷你軟體機器人

負重運動

別看這個叫Geca-Robot的傢夥身段小,它的本領可不小:

仿生足部結構相當於給它穿上瞭最好的“防滑跑鞋”,不管是在粗糙或是光滑平面上,均能獲得足夠的抓地力而不會打滑。

疏水的結構可保證它在潮濕有水的表面運動。運動過程中,哪怕水量覆蓋住其足部,它的運動過程也不會受到阻礙。

仿生足部設計和仿尺蠖的運動步態,可以使它在高達30度坡度的光滑表面穩定停泊而不發生滑移,並可以在光照下進行上下坡運動。

它可以在100 度至-20 度溫度區間的環境內運動,能適應極端溫度變化。

此外,它還是個“大力士”,可以在負載超過其自重50倍的情況下穩定運動。

由於具有良好的表面適應性和負載能力,而且可以被從紫外到紅外全波段的光遠程控制,Geca-Robot很適合在狹窄惡劣的環境中作業。例如,可在裂紋和深坑中進行地質勘探,廢墟裂縫中進行搜救和目標定位,甚至借助可穿透皮膚的紅外光源,在具有復雜表面形貌、酸堿性、溫度和濕度的生物器官內或血管中進行藥物遞送或是病灶檢查,應用潛力巨大。

論文鏈接:

https://authors.elsevier.com/a/1b9HH4tRoWL1to

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