這篇文章來(lái)源于DevicePlus.com英語(yǔ)網(wǎng)站的翻譯稿。
如今,機(jī)器人并不只是朝著類(lèi)人機(jī)器人方向發(fā)展,它們還會(huì)模仿海洋生物的樣子。受到柳葉鰻(鰻魚(yú)的透明幼體)的啟發(fā),MIT工程師們研發(fā)出了多種能夠完成多項(xiàng)任務(wù)——比如游泳、踢橡膠球、捕捉和釋放水中的活魚(yú)等——的柔軟偽裝機(jī)器人。這些機(jī)器人是由什么構(gòu)成的呢?它們完全由透明的水凝膠材料(一種水聚合材料,主要成分是水)制成。
由MIT機(jī)械工程副教授Xuanhe Zhao和研究生Hyunwoo Yuk領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)持久耐用、靈活、同時(shí)又能完成強(qiáng)大任務(wù)的水凝膠配方。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出多種不同種類(lèi)、不同功能的水凝膠機(jī)器人:能夠上下卷曲的附肢;可以來(lái)回?cái)[動(dòng)的鰭狀模型;能夠有效捕捉、釋放的手狀?yuàn)A持器(圖2、圖3和圖4)。
圖1鰻魚(yú)透明幼體(上圖)以及受柳葉鰻啟發(fā)制成的水凝膠致動(dòng)器(下圖)示意圖。/?Yuk等人,2017
這些機(jī)器人通過(guò)液壓水凝膠致動(dòng)器實(shí)現(xiàn),而不是現(xiàn)有的滲透驅(qū)動(dòng)型水凝膠致動(dòng)器。由于響應(yīng)時(shí)間和水凝膠致動(dòng)力之間的固有耦合關(guān)系,后者受限于低致動(dòng)力(毫牛頓)和低致動(dòng)速度(響應(yīng)時(shí)間為幾分鐘至幾小時(shí))。而憑借精確設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu),液壓驅(qū)動(dòng)型水凝膠允許機(jī)器人擁有更大的致動(dòng)力(超過(guò)1牛)和致動(dòng)速度。這些機(jī)器人還能夠在水中進(jìn)行光學(xué)和聲學(xué)偽裝。
圖2柔軟彎曲致動(dòng)器示意圖/?Yuk等人,2017
每個(gè)機(jī)器人都由柔性彎曲致動(dòng)器組成。彎曲致動(dòng)器的外形尺寸為25 x 150 x 15 mm,由7個(gè)單元段致動(dòng)器串聯(lián)在一起。柔性水凝膠部件擁有液壓腔和液壓連接功能。而剛性水凝膠部件由不易伸長(zhǎng)的元件制成,以在液壓致動(dòng)下實(shí)現(xiàn)彎曲。與現(xiàn)有的滲透水凝膠致動(dòng)器相比,這種宏觀水凝膠致動(dòng)器具有非??斓倪\(yùn)動(dòng)速度。它可以在不到1秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)20度的彎曲動(dòng)作。
注:為了獲得最佳的視覺(jué)效果,研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。
水被泵入致動(dòng)腔,為機(jī)器人提供源動(dòng)力。請(qǐng)看下面的視頻,一根豎直的水凝膠致動(dòng)器在1秒鐘內(nèi)彎曲成一個(gè)完整的圓。隨著水被泵出,致動(dòng)器又在1秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。而由相同水凝膠制成的滲透型水凝膠致動(dòng)器執(zhí)行相同彎曲運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間則比上述時(shí)間長(zhǎng)的多(幾個(gè)小時(shí))。
注:為了獲得最佳的視覺(jué)效果,研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。
在實(shí)驗(yàn)中,研究團(tuán)隊(duì)制造了一種水凝膠機(jī)器魚(yú),可以像真正的魚(yú)一樣游泳;以及一個(gè)手狀水凝膠夾持器,隨著水的泵入和泵出,夾持器可以實(shí)現(xiàn)抓取和釋放功能。
圖3水凝膠機(jī)器魚(yú)示意圖/?Yuk等人,2017
請(qǐng)看下面的視頻,一條水凝膠機(jī)器魚(yú)在彩虹背景下游泳時(shí)保持偽裝狀態(tài)。機(jī)器魚(yú)還能通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的敏捷尾部動(dòng)作執(zhí)行向前的魚(yú)類(lèi)游動(dòng)。兩個(gè)獨(dú)立的液壓部件控制魚(yú)的液壓動(dòng)作(圖3)。
下圖中的偽裝水凝膠夾持器能夠快速?gòu)澢?,以捕捉、釋放活的金魚(yú)。由于其光學(xué)透明度,水凝膠夾持器在接近水槽中的金魚(yú)時(shí)可以保持偽裝狀態(tài)。水凝膠的敏捷動(dòng)作使得夾持器能夠成功捕獲金魚(yú),而其固有的柔軟度不會(huì)對(duì)捕獲、釋放的金魚(yú)帶來(lái)任何傷害。
圖4水凝膠夾持器示意圖/?Yuk等人,2017
六個(gè)彎曲致動(dòng)器由一個(gè)液壓輸入端同時(shí)致動(dòng),從而操作夾持器(圖4)。
水凝膠結(jié)構(gòu)幾乎完全透明,因此在水下可以完全偽裝起來(lái)。它們的聲學(xué)和光學(xué)性質(zhì)也與水幾乎相同。柔性致動(dòng)器和機(jī)器人通常使用諸如Ecoflex和Elastosil這樣的有機(jī)硅彈性體。它們是可拉伸的,但具有光學(xué)不透明度,在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透光率只有5%。然而,PAAm-藻酸鹽水凝膠在可見(jiàn)光范圍內(nèi)擁有高得多的透射率,95%;其反射率(1.3365)也與水的反射率接近(1.333)。PAAm-藻酸鹽水凝膠也具有顯著的聲波特性。水凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)的聲速(1485.7 m/s)幾乎與純水相同(1447.5 m/s)。PAAm-藻酸鹽水凝膠的聲阻抗(z0 = 1.487×106Pa·s-1)與純水的聲阻抗(z0 = 1.448×106Pa·s-1)僅相差約1%。
光學(xué)和反射聲波特性通常用于水下環(huán)境中的感應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景。水凝膠的光學(xué)和聲學(xué)特性與水非常相似,這使得液壓水凝膠致動(dòng)器成為偽裝設(shè)備的完美選擇。據(jù)研究人員介紹,這些基于水凝膠的致動(dòng)器和機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)、可調(diào)光學(xué)、軟電子學(xué)和機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域擁有實(shí)際應(yīng)用意義。
舉個(gè)例子,我們可以進(jìn)一步改善水凝膠器件,將其用于治療用途,比如靶向給藥。由于水凝膠的光學(xué)和聲波透明度,這些器件也可用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高保真光學(xué)和超聲成像。
DevicePlus 編輯團(tuán)隊(duì)
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審核編輯黃宇
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