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深圳先進(jìn)院等研發(fā)出可快速制造微型機(jī)器人的膠質(zhì)磁性噴霧
發(fā)布時(shí)間：2020年11月30日
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近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院深圳先進(jìn)集成技術(shù)研究所智能仿生研究中心研究員吳新宇研究團(tuán)隊(duì)與香港城市大學(xué)副教授申亞京團(tuán)隊(duì)合作，提出一種通用、可擴(kuò)展、能應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的微型機(jī)器人制造方式——利用膠質(zhì)磁性噴霧使無(wú)生命目標(biāo)物體成為可控微型外骨骼。
微型機(jī)器人由于具有良好的可控性和適應(yīng)性而在生物醫(yī)學(xué)中有著廣泛應(yīng)用前景。然而，考慮到目標(biāo)對(duì)象多變的尺寸和形狀，以及工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不可預(yù)測(cè)，單一機(jī)器人難以應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)或環(huán)境。可擴(kuò)展、通用、能應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的微型機(jī)器人制造方法仍存在挑戰(zhàn)。
在自然界，很多生物本身沒(méi)有較好的運(yùn)動(dòng)能力，但是它們可以通過(guò)寄生或吸附的方法利用其他生物或物體到達(dá)自身難以企及的地方，比如，有一種彩蚴吸蟲(chóng)能夠感染蝸牛并控制蝸牛違背原來(lái)的生活習(xí)性爬到高處。受此演化啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出一種由聚乙烯醇（PVA）、谷蛋白（Gluten）和鐵粉（Iron particles）混合而成的膠質(zhì)磁性噴霧，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體表面噴涂的方式，給它穿上一層磁性外衣（約100-200um厚度），將無(wú)生命物體變成可以磁驅(qū)的微型機(jī)器人智能體。該種磁性噴霧在固化前表現(xiàn)出良好的自粘性，能夠粘附親水和疏水的表面，在磁性噴霧固化后其自粘性會(huì)隨之消失，即在對(duì)物體表面貼合的同時(shí)，對(duì)外界環(huán)境不表現(xiàn)出粘性。這一特征保證了外界環(huán)境不會(huì)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)造成不良影響。
這種利用物體本身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方法具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。研究人員從理論分析和有限元模擬等角度入手，闡明該類噴霧磁化方法的微型機(jī)器人通用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。理論分析顯示，在磁力矩和磁拉力作用下，不同的微型機(jī)器人會(huì)依靠其本身獨(dú)有的結(jié)構(gòu)和形態(tài)產(chǎn)生相應(yīng)的變形以及步態(tài)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該策略的可行性，研究團(tuán)隊(duì)使用磁性噴霧將棉線、折紙、PDMS薄膜和塑料管等各種不同材料和形狀的常見(jiàn)物體轉(zhuǎn)化為磁驅(qū)機(jī)器人，并在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)爬行、行走、滾動(dòng)和游動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式，與理論分析一致。除具備良好運(yùn)動(dòng)能力外，覆蓋在物體表面的磁性噴霧還具有可控離解、可重編程等特點(diǎn)，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供可能，如主動(dòng)送藥、可控內(nèi)窺探頭等。
將無(wú)生命的物體按需轉(zhuǎn)化為可移動(dòng)的微型機(jī)器人的策略，為在不可預(yù)知的有限空間進(jìn)行操作、運(yùn)輸和交付提供潛力。吳新宇表示，這種“寄生”的方式，給仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供新思路，希望能夠利用該策略，拓展現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)仿生，將來(lái)能夠設(shè)計(jì)出具有運(yùn)動(dòng)能力的傳感器、微外骨骼等。相關(guān)研究成果以An agglutinate magnetic spray transforms inanimate objects into millirobots for biomedical applications為題，發(fā)表在Science Robotics上。深圳先進(jìn)院副研究員尚萬(wàn)峰和香港城市大學(xué)博士生楊雄為論文共同第一作者，吳新宇和申亞京為論文共同通訊作者，其他作者包括香港城市大學(xué)博士陸豪健、劉雁婷、楊柳和譚蓉。
http://www.cas.cn/syky/202011/t20201123_4767901.shtml