利用柔性电子设备拓展软机器人的可能性

Josiah02 · 发表于 2024-9-13 13:46:36

从搜救任务到骨科治疗和许多其他应用，软体机器人和可穿戴电子设备在许多领域都大有可为。然而，设计出实用且实用的软体机器人却是一项艰巨的任务。
在 Rebecca Kramer-Bottiglio 教授的实验室中，一个研究小组开发出了复杂的电子设备，这些电子设备可以大大超出其原始形状。此外，该系统可以轻松适应不同的用途。他们的研究成果发表在《科学机器人》杂志上。
可伸缩机器人领域的发展常常受到设备刚性和柔性部件之间的接口问题所困扰。也就是说，它们需要复杂的电路，而这些电路目前过于刚性，无法紧密集成到其柔软的主体中。因此，设计师将他们的设备与外部电路板配对，这牺牲了设备的功能。
为此，Kramer-Bottiglio 实验室的研究人员开发了可伸缩版本的 Arduino（一种广泛使用的开源电子平台），并将其嵌入到软机器人中。这些设备不仅可以大幅拉伸，仍能按设计工作，而且可以扩展并轻松复制。
它是迄今为止证明能够大幅拉伸的最复杂电路——这是开发不会为了拉伸而牺牲计算能力的软机器人和可穿戴设备的重要一步。
如今，大多数软机器人都由刚性的 Arduino 式微控制器控制。为了适应机器人的软材料和刚性电路之间的不匹配，设计师通常会尝试将电子设备放置在对拉伸干扰最小的位置。
然而，在 Kramer-Bottiglio 的实验室中，研究人员将电路放置在特定的高应变位置，以说明其坚固性。这为其他机器人专家在设计设备时提供了更大的自由度。在研究人员的设备中，刚性和柔性组件之间有 70 多个接触点，这些接触点在应用和测试中都会被拉伸。
“我们能够通过制造工艺克服常见的障碍，实际上创造出许多可伸缩的 Arduino，”这项研究的主要作者、Kramer-Bottiglio 实验室的博士生 Stephanie Woodman 说道。
它们的拉伸性非常好，可以从原来的形状拉长三到四倍。
图片来源：耶鲁大学
机械工程与材料科学系 John J. Lee 副教授 Kramer-Bottiglio 表示：“这些演示标志着从一次性、功能有限的展示向稳健、可靠和复杂的多层可拉伸电路的转变。”
对于这个项目，研究人员专注于让该系统可访问并适用于不同的用途。为了证明该方法的通用性，他们将其应用于制作流行的 Arduino Pro Mini 的可拉伸版本，以及 Arduino Lilypad、Sparkfun 声音探测器、Sparkfun RGB 和手势传感器。在开发该方法的过程中，他们还消除了对大量设备或材料、专业知识或电路设计专业知识的需求。
研究人员从镓基液态金属入手。为了使这种材料易于上漆和使用，他们搅拌液态金属，使其暴露在氧气中。
伍德曼说：“这使得它变成糊状，更容易图案化，并能牢固地粘附在所有这些柔软的基板和刚性的电气元件上。”
然后，他们将这种材料涂在用激光切割成所需电路图案的纸制成的掩模上，这样当掩模被移除时，就可以放置电路元件并封装该层。他们所有的制造材料、方法和电路设计都是开源的——他们制造可拉伸电子产品的流程在这个 GitHub 页面中进行了演示。
现在他们已经开发出这些可拉伸电路，机器人专家有很多方法可以使用它们。
“我们将它嵌入到几个软机器人中，”伍德曼说。“例如，一个机器人在伸展时可以控制四足机器人的门。”她补充说，可伸展的电子设备不会干扰机器人的变形。
可穿戴设备（例如协助受伤肢体的设备）是另一种应用。
伍德曼说：“我们将电路放在肘部并展示它的拉伸情况。”他补充说，由于涉及的拉伸量，肘部是应用可穿戴设备最棘手的位置之一。
“因此，我们不仅制造了真正可拉伸的电路，而且我们实际上还展示了如何将其实际部署到整个身体的用例中以及未来的软机器人中。”

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