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          利用“爆炸”,發了一篇Science!-傻瓜新闻
          2024-11-22 07:13:36来源: 環創 编辑: 國際微訪談

          科學家們經常從大自然中尋找設計新技術(包括機器人)的爆炸靈感。如果昆蟲等生物體的利用特征能夠在移動機器人中複製,它們可以提供一種探索危險環境、发篇協助基礎設施監控、爆炸甚至用於醫療保健的利用新方法。

          盡管具有這種潛力,发篇但機器人技術曆來一直難以成功模仿此類生物的爆炸靈巧性和效率。在微型結構內平衡感知、利用運動控製和驅動與高效、发篇低成本的爆炸能源係統阻礙了微型機器人的創新。

          機器人的利用基本要素--執行、感知和控製--造成了能源效率低下和係統集成限製,发篇從而阻礙了機器人能力的爆炸提高。便攜式能源供應的利用不足也阻礙了可部署移動機器人的發展。在小規模應用中,发篇組件微型化帶來的性能損失以及微細加工和製造的局限性使這些挑戰變得更加複雜。


          昆蟲大小的機器人由甲烷驅動,跳躍距離可達其身體長度的20倍

          然而,來自康奈爾大學的Robert F. Shepherd教授研究團隊介紹了一種化學動力微型致動器,可為厘米級機器人提供快速、高力致動。它利用燃燒反應釋放的能量,用微小的爆炸為昆蟲級機器帶來了驚人的機動性和跳躍能力這種微型昆蟲機器人可以爬行、跳躍並攜帶超過其體重22倍的有效載荷。相關研究成果以題為“Powerful, soft combustion actuators for insect-scale robots”發表在最新一期《Science》期刊上。


          【執行器的製造和操作】

          作者提出了一種輕質(m=325 mg)功率密集(Πstroke=277.2 kW kg−1)高頻微型機器人(圖1),由燃燒驅動化學燃料並描述其與昆蟲規模機器人的集成。該團隊構建的微型機器人配有3D打印燃燒室、充氣彈性膜、電極和燃油噴射管。與傳統的ICE非常相似,微型機器人的運行始於將燃料(氣態甲烷和氧氣的混合物)傳輸到燃燒室(圖1B)。為了發揮作用,電極通過火花點燃燃燒室中的甲烷,隨後的放熱反應導致產物氣體膨脹,觸發微型機器人的彈性膜在平均0.55毫秒內膨脹(圖1C)。

          該團隊解釋說,這種被稱為“活塞式驅動”的快速膨脹可用於驅動運動或發射物體。一旦燃燒氣體從燃燒室排出,就會重複該循環。據報道,這種由軟燃燒驅動的微型機器人實現了140%的位移,可以在低於100赫茲的頻率下運行,令人印象深刻的是,可以產生超過9.5 N的力。值得注意的是,其設計成本效益高,製造速度快,使用CLIP(連續液體界麵生產)、3D打印機和樹脂進行構建。


          圖1. 燃燒驅動微型機器人的運行和表征

          進一步地,研究人員對這些過程進行了精美的建模(圖2)。使用該模型,作者能夠預測主要反應物和產物種類的濃度(圖2B;phi=0.45,f=10Hz),以及執行器燃燒時快速增加的內部壓力(圖2C)。通過使用該建模數據進行計算,使作者能夠對建模執行器的工作和功率輸出進行預測(圖2D、E)。建模數據的趨勢和幅度準確地接近本文的實驗結果。


          圖2. 微型機器人性能模型

          【集成到昆蟲規模的機器人中】

          為了進一步證明新執行器的有效性並證明其在微型機器人中的應用研究人員用它為尺寸隻有幾厘米的四足昆蟲機器人提供動力(圖3)。能夠駕駛並執行多種步態、跳得這麽高、承受如此大的負載,遠遠超出了作者最初的預期。每個致動器都位於前腳和後腳的上方,能獨立為四足機器人的兩個腳墊充氣,從而實現對定向運動的有限控製。例如,調整燃燒火花序列可實現定向轉彎以及爬行和跳躍步態,速度分別為每秒5厘米和每秒17厘米。同時啟動兩個微型致動器可實現跳躍,最大垂直和水平跳躍距離分別為59厘米和16厘米,相當於機器人身體長度的20倍和5.5倍。


          圖3. 四足昆蟲級機器人的跳躍性能

          總體來說,與用於為昆蟲規模設備提供動力的現有係統相比,本文的執行器具有多個優勢:(i)使用3D打印作為主要製造策略,可以輕鬆擴展並與其他係統集成;(ii)柔軟的驅動表麵可提高設備的耐用性並以非破壞性方式與環境連接;(iii)高致動速度、力、位移和頻率的組合導致高功率密度。當集成到四足機器人中時,執行器可以實現多模式運動和避障。


          圖4. 機器人多步態功能的表征

          【意義與挑戰】

          本文的微型機器人也提出了新的考慮和挑戰。除了產生必須撲滅的火焰外,該執行器目前還被拴在笨重的非板載輔助部件上。執行器需要從氣缸輸送的可燃氣體,並且高壓火花電極有自己的板外電源和控製硬件。同時,燃料供應速率、反應物化學計量、火花速率和排氣速率之間的仔細的係統級平衡是必要的,這需要針對每個特定的機器人設計進行定製調整。設想的不受束縛的係統也可能對環境溫度和其他環境條件敏感。此外,使用液體燃料並不能完全解決無繩索的挑戰。驅動所需的高壓火花仍然需要電池或其他機載電源。

          隨著化學動力移動機器人的不斷進步,材料創新對於在長時間運行中實現不受束縛的自主性能至關重要。其中包括多功能機器人材料的設計和製造以及在整個機器人身體中嵌入能源供應的策略。本文的微型機器人的一個關鍵優勢:是它們的電子控製能力。這保持了它們與微電子控製器和傳感硬件的兼容性,用於開發智能移動機器人行為。這一研究領域的持續工作甚至可能需要結合靈感本身的來源——用於生物混合設計的活生物係統,使機器人能夠直接利用自然的效率。

          來源:高分子科學前沿

          聲明:僅代表作者個人觀點,作者水平有限,如有不科學之處,請在下方留言指正!