重新定义软机器人：了解可自主导航粘性液体的光驱动环形微型机器人

Josiah02 · 发表于 2024-10-10 16:43:06

芬兰坦佩雷大学和中国安徽建筑大学的研究人员在软体机器人领域取得了重大突破。他们的研究推出了首个环形光驱动微型机器人，该机器人可以在粘液等粘稠液体中自主移动。这项创新标志着在开发能够在复杂环境中导航的微型机器人方面迈出了重要一步，有望在医学和环境监测等领域得到应用。
他们的论文题为“利用零弹性能量模式实现光控运动”，最近发表在《自然材料》杂志上。
透过光学显微镜一窥，我们便能发现一个充满生命的隐秘宇宙。大自然为微生物设计了巧妙的方法来在粘稠的环境中导航：例如，大肠杆菌采用螺旋运动，纤毛以协调的波浪形式移动，鞭毛则依靠鞭子般的拍打来推动自己前进。然而，由于粘性力量强大，在微观尺度上游泳就像人类试图在蜂蜜中游泳一样。
受大自然的启发，专门研究尖端微型机器人技术的科学家现在正在寻找解决方案。坦佩雷大学这项开创性研究的核心是一种被称为液晶弹性体的合成材料。这种弹性体对激光等刺激有反应。加热后，它会自行旋转，这是由于静态和动态力相互作用引起的特殊零弹性能量模式 (ZEEM)。
坦佩雷大学博士研究员、研究第一作者邓子轩表示，这一发现不仅代表了软体机器人技术的重大飞跃，而且为开发能够在复杂环境中导航的微型机器人铺平了道路。
“这项研究的意义不仅限于机器人技术，还可能影响医学和环境监测等领域。例如，这项创新技术可用于通过生理粘液输送药物，并在设备小型化后疏通血管，”他说。
甜甜圈形状简化了游泳机器人的控制
几十年来，科学家们一直对微尺度游泳的独特挑战着迷，这是物理学家爱德华·珀塞尔 (Edward Purcell) 于 1977 年提出的一个概念。他是第一个设想环形拓扑结构（甜甜圈形状）的人，因为它有可能改善微生物在粘性力占主导地位、惯性力可忽略不计的环境中导航。这被称为斯托克斯状态或低雷诺数极限。虽然看起来很有希望，但还没有人展示过这样的环形游泳者。
现在，环形设计的突破简化了游泳机器人的控制，不再需要复杂的结构。通过使用单束光来触发非往复运动，这些机器人利用 ZEEM 自主确定其运动。
“我们的创新技术实现了斯托克斯体系中的三维自由游泳，为探索密闭空间（如微流体环境）开辟了新的可能性。此外，这些环形机器人可以在滚动和自推进模式之间切换，以适应其环境，”邓补充道。
邓相信，未来的研究将探索多个环面之间的相互作用和集体动态，从而可能带来这些智能微型机器人之间新的通信方法。
光驱动软体机器人的开发达到顶峰
这项最新研究体现了两个重大研究项目的成果。
第一个项目STORM-BOTS旨在培养新一代软体机器人研究人员，重点研究液晶弹性体。作为该项目的一部分，邓的博士论文研究以开发可在空气和水中有效移动的光驱动软体机器人为中心。他的工作由坦佩雷大学的 Arri Priimagi 教授和曾浩教授共同指导。
第二个项目ONLINE探索非平衡软执行器系统。该项目旨在实现自主运动，实现运动、交互和通信等新颖的机器人功能。

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