集運動、感知功能為一體的光驅動薄膜機器人

近年來,對有機生命體復雜的響應、運動機制的探索促進瞭軟體機器人的研究和發展。相比於傳統的硬機器人,由柔性材料、軟物質材料組成的軟體機器人展現出瞭連續的身體變形以及復雜的運動模式,同時也為人機交互提供瞭多樣化的、安全的操作界面。然而,目前的研究主要集中在驅動變形、運動模式的操控,所開發的機器人隻有有限的或者沒有對自身和環境的感知能力,這阻礙瞭其進一步面向精細人工智能機器人的發展。要賦予小尺寸軟體機器人以知覺,其中最大的挑戰在於實現一個高度集成的傳感、驅動機制。

集運動、感知功能為一體的光驅動薄膜機器人

基於以上研究背景,新加坡國立大學的Ghim Wei Ho教授課題組開發瞭一種光驅動薄膜機器人,其中厚度不超過115 μm的復合材料薄膜緊湊集成瞭壓阻式應變傳感器、熱電溫度傳感器以及光驅動器,同時獨立的傳感器電極設計使得這個薄膜機器人在持續的運動過程中可以同步地輸出身體變形和溫度信號,設計機理如圖1所示。

集運動、感知功能為一體的光驅動薄膜機器人
圖1.復合材料薄膜結構以及集成的壓阻式應變傳感、熱電溫度傳感以及光驅動機制示意圖。

研究人員采用瞭剪紙技術和3D打印技術,實現瞭程序化設計復雜多樣的二維到三維的驅動變形、定制不同的機器人模型以及選擇性地打印電阻傳感器電路,機器人模型的尺寸可以小到1cm,如圖2所示。

集運動、感知功能為一體的光驅動薄膜機器人

集運動、感知功能為一體的光驅動薄膜機器人
圖2.小尺寸剪紙機器人模型。

研究人員進一步設計瞭三種機器人模型,包括行走機器人、擬人化手模型和不接線的蜈蚣,展示瞭可定制的軟體機器人在不同應用環境下的運動和感知性能。行走機器人可以在光控制下持續前行,並且實時輸出自身各種行走步態信號,包括身體的彎曲伸展、步子大小快慢、姿勢保持狀態以及被障礙物絆到等。此外,通過分析機器人在不同粗糙度基底上行走的時間-電阻變化波形,我們可以得到基底的表面粗糙度信息(圖3)。

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圖3.行走機器人的步態監測以及路面粗糙度分析。a)機器人在稱量紙基底上持續前行動作以及相應的電阻、電壓信號;b)行走機器人在過濾紙上時間-電阻變化加速度曲線;c)不同基底的電阻變化加速度均方根值與基底表面粗糙度的關系。

手模型具有真人手的尺寸和比例,每個手指可以獨立地彎曲活動,相應的電阻變化信號提供動作信息;當手指接觸外界冷熱物體時,熱電電壓隨著溫度的變化發生震蕩;此外,在相同的光驅動條件下,用食指和拇指去捏相同尺寸不同軟硬度的物體時,通過食指電阻的變化大小可以很好地區分出幾種材料的相對軟硬度(如圖4所示)。

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圖4.擬人手模型。a)手模型和光驅動中指彎曲;b)不同手指彎曲、回復的電阻變化;c)食指接觸和離開熱杯子(60 ℃)和冷杯子(0 ℃)的電壓變化;d)食指和拇指在光驅動下捏海綿;e)手指捏不同軟硬度材料的電阻變化。

最後,結合近場通訊(NFC)技術,我們嘗試去除薄膜機器人的電極接線,實現瞭不接線的模型蜈蚣向前爬行、轉身,並且蜈蚣敏感的觸角可以無線感應光照強度、風速以及人的觸碰信號,如圖5。

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圖5. 不接線蜈蚣NFC無線傳感光照強度、風速以及人的觸碰。

以上工作以《Somatosensory, Light-Driven, Thin-Film Robots Capable of Integrated Perception and Motility》為題在線發表在期刊Advanced Materials。論文第一作者為汪曉巧博士,通訊作者為Ghim Wei Ho教授,通訊單位為新加坡國立大學。

全文鏈接:

https://doi.org/10.1002/adma.202000351

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