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Science子刊發(fā)布實(shí)現(xiàn)可編程磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人

導(dǎo)讀通過控制外部磁場，可以對磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人（或軟結(jié)構(gòu)）實(shí)現(xiàn)無接觸的驅(qū)動(dòng)控制。磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人有著很高的研究和實(shí)用價(jià)值，例如在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的體內(nèi)藥物運(yùn)送機(jī)器人，以及研發(fā)智能可穿戴領(lǐng)域等。近年磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人得到很多知名高校和國際著名期刊的青睞。當(dāng)下的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人內(nèi)部的磁場分布都是按照預(yù)先設(shè)定好的模式設(shè)計(jì)制造，一旦完成，其內(nèi)部磁場的分布就確定了，因此難以實(shí)現(xiàn)對于單個(gè)機(jī)器人磁場分布的可重復(fù)性“編程” 。近日，國際頂級期刊，science子刊《科學(xué)進(jìn)展（scienceadvance）》刊登了一篇關(guān)于如何實(shí)現(xiàn)可重復(fù)編程的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人/結(jié)構(gòu)的文章，題目為“可重復(fù)編程的變形磁性軟機(jī)器“，提出了一種對磁性軟機(jī)器人內(nèi)部磁場重塑的方法：通過將嵌在軟結(jié)構(gòu)中的永磁鐵微粒進(jìn)行加熱，當(dāng)溫度超過“居里點(diǎn)”后，在材料冷卻過程中施加一個(gè)外部強(qiáng)磁場就可以改變材料內(nèi)部磁場分布。該研究項(xiàng)目由來自德國的“馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所”，美國卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，土耳其的科克大學(xué)以及瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工共同完成。論文中指出，這種方式的編程的磁場分辨率可以達(dá)到38微米，編程產(chǎn)出速率最快可達(dá)每分鐘10個(gè)樣本。 1. 可重復(fù)“編程”的磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人近年來軟體機(jī)器人領(lǐng)域興起，出現(xiàn)了基于各種不同的物理化學(xué)原理驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人。其中有一類借助于外界磁場驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人，即磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人/軟結(jié)構(gòu)。這類機(jī)器人驅(qū)動(dòng)原理相對簡單，將具有磁性的顆粒物融合到彈性聚合物中（例如硅膠），使顆粒物的磁場按照一定的規(guī)律分布，就得到了一個(gè)磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人，這個(gè)過程需要對顆粒物磁場分布進(jìn)行“編程”，從而滿足特定的場景需求。當(dāng)對磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人施加一個(gè)外部磁場時(shí)，通過控制磁場的強(qiáng)弱和方向，就可以控制軟機(jī)器人按照預(yù)先“編程”好的方式變形，從而完成任務(wù)。磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的最大特點(diǎn)就是，它實(shí)現(xiàn)了一種無接觸式的軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)，只要有合適的外加磁場就可以實(shí)現(xiàn)對于這類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和控制，并且無需擔(dān)心障礙物的阻隔。圖2. 一些典型的微型磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人頗受一些國際頂級期刊青睞，包括《自然（nature）》和《自然通訊（naturecommunication）》和《科學(xué)-機(jī)器人學(xué)（sciencerobotics）》上都多次刊出磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人/軟機(jī)器人的相關(guān)論文，這里小編整理一些圖片展示給各位讀者，文末附有論文題目，感興趣的小伙伴可以去搜索。圖3. 磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人穿梭于復(fù)雜血管系統(tǒng)（science robotics）圖4. 3d打印的磁驅(qū)動(dòng)多足軟機(jī)器人（nature）圖5. 磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人（nature）為了實(shí)現(xiàn)磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人內(nèi)部磁場的編程，現(xiàn)有的方式基本依靠模板化的磁化方式生產(chǎn)制造。也有一些研究采用3d打印的方式來實(shí)現(xiàn)磁場分布的編排。然而，在這些研究中，有一個(gè)共同的限制就是磁場分布和機(jī)器人的加工過程是捆綁在一起的，對于每一個(gè)做好的軟機(jī)器人而言，它內(nèi)部的磁場分布就確定了。同時(shí)，以上的加工方式加工較慢，限制了大批量生產(chǎn)，從而一定程度上限制了磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的實(shí)用性。近日，發(fā)表于國際頂級期刊《科學(xué)進(jìn)展（scienceadvance）》上的一篇論文提出了一種有效地解決方案，實(shí)現(xiàn)了磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的可重復(fù)編程，并且提升了磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人的生產(chǎn)效率。該研究項(xiàng)目由來自德國的“馬克斯普朗克智能系統(tǒng)研究所”，美國卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，土耳其的科克大學(xué)以及瑞士的蘇黎世聯(lián)邦理工共同完成。圖6. 熱輔助磁場編程原理圖研究者們提出了一種“熱輔助磁場編程”的方式，即將內(nèi)嵌有永磁鐵顆粒物的軟機(jī)器人加熱到一定的溫度，即“居里溫度（居里點(diǎn)）”，磁性顆粒的磁性會逐漸紊亂并且弱化到0，這個(gè)時(shí)候，停止加熱，在軟機(jī)器人冷卻的過程中，對其施加一個(gè)一定方向的外部磁場，之前弱化的磁性就會根據(jù)外部磁場的磁感線重新排布。通過這一過程，就可以改變磁性顆粒物的磁場分布。小知識（百度百科）：居里點(diǎn)（Curie point）又作居里溫度（Curie temperature，Tc）或磁性轉(zhuǎn)變點(diǎn)。是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度。低于居里點(diǎn)溫度時(shí)該物質(zhì)成為鐵磁體，此時(shí)和材料有關(guān)的磁場很難改變。當(dāng)溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，該物質(zhì)成為順磁體，磁體的磁場很容易隨周圍磁場的改變而改變。小編先向大家展示一下研究者借助于這種“熱輔助磁性編程”方法加工的一些復(fù)雜形狀的磁驅(qū)動(dòng)軟結(jié)構(gòu)/軟機(jī)器人。在下一部分會介紹具體的材料和相關(guān)設(shè)備。文末有完整的視頻和論文鏈接，感興趣的讀者不要錯(cuò)過（注意：science advance的文章開源）。通過對不同的“樹葉”進(jìn)行磁性編程，讓其在變化的磁場中“隨風(fēng)搖曳”。圖7. 隨磁場搖曳的小樹圖8. 特別設(shè)計(jì)的磁場控制的“蜻蜓” 圖9. 磁場控制的“花朵” 圖10. 磁場控制的復(fù)雜變形圓環(huán) 圖11. 磁場驅(qū)動(dòng)的球形軟機(jī)器人當(dāng)軟機(jī)器人的外型固定，通過“熱輔助磁性編程”方法可以改變軟機(jī)器人內(nèi)部的磁場分布。研究者通過一個(gè)簡單的四足軟機(jī)器人來展示相同結(jié)構(gòu)不同磁場分布的運(yùn)動(dòng)差異。圖12. 磁驅(qū)動(dòng)的四足機(jī)器人圖13. 磁場重新編程過的四足機(jī)器人圖14. 磁場控制的自動(dòng)開合小盒子 2. 原理與設(shè)計(jì)展示為了能夠?qū)崿F(xiàn)熱輔助磁性編程，研究者將將二氧化鉻（CrO2）10微米大小的微粒嵌入到PDMS的彈性體中。二氧化鉻是一種鐵磁性材料，它的“居里點(diǎn)”為118攝氏度，這個(gè)溫度對于大多數(shù)彈性體來說都可以承受而不被損壞。研究者采用一束平行的近紅外能量可調(diào)節(jié)光束對于需要被磁化編程的彈性體進(jìn)行局部精確加熱。加熱溫度，加熱冷卻時(shí)間，以及加熱范圍都可以控制（在1.3mm直徑的加熱范圍內(nèi)，最短的加熱冷卻周期是5.7s）。圖15. “激光熱輔助”磁化編程設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 激光熱輔助磁化編程設(shè)備的結(jié)構(gòu)相對簡單。一塊永磁鐵安裝在一對步進(jìn)電機(jī)上，可以實(shí)現(xiàn)繞兩個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)，在平臺上方安裝有一個(gè)霍爾磁場傳感器，以及一個(gè)功率可控的NIR激光裝置。圖16. “熱輔助”磁化設(shè)備展示通過控制平臺步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角，可以調(diào)整所要加載的磁場的角度，研究者測試了三個(gè)不同的磁鐵角度，分別是0°，45°和90°，并且模擬了三種磁鐵放置角度下，磁場的分布圖象。將冷卻中的磁性軟機(jī)器人放置于響應(yīng)的磁場中，就可以得到想要的磁場方向。圖17. 永磁鐵角度控制圖18. 不同角度磁鐵的磁感線分布借助于上述設(shè)備，研究者可以對于同一個(gè)形狀的磁化的軟彈性體進(jìn)行熱輔助編程。如下圖，展示了一個(gè)軟體四足機(jī)器人，以及一個(gè)柔性抓手在不同的磁場分布情況下，不同的變形情況。圖19. 四足機(jī)器人兩種磁場分布編程方式圖20. 軟體夾爪兩種磁場編程展示除去激光精準(zhǔn)定位加熱和磁化，磁化編程也可以通過借助于設(shè)計(jì)好的磁化模塊接近彈性體，同時(shí)系統(tǒng)性的加熱整個(gè)彈性體來實(shí)現(xiàn)。這樣的話可以實(shí)現(xiàn)一次性成型。研究者展示了一個(gè)西方的智慧女神頭像圖形，在加熱子模塊后，將母模塊靠近子模塊，子模塊就會產(chǎn)生所需要的磁場分布。利用這種磁場編程方式，可以實(shí)現(xiàn)38微米級別的磁化。同時(shí)，這種方式最快可以實(shí)現(xiàn)1分鐘10個(gè)樣本復(fù)刻的速率。圖21. 一次性精準(zhǔn)磁化編程 3. 總結(jié)與展望研究者展示的熱輔助磁化編程策略把磁性軟彈性體的磁場分布和加工過程分割開來，因此讓磁性軟機(jī)器人變得更加容易加工和個(gè)性化制造。研究者展示了十多種不同的結(jié)構(gòu)模式，均采用了熱輔助磁化編程策略，包括軟體四足機(jī)器人，軟體抓手，以及軟體滾動(dòng)球等。微觀尺度的磁場可以輔助發(fā)展一些具有復(fù)雜運(yùn)動(dòng)能力的微型機(jī)器人。在本研究中，實(shí)現(xiàn)了達(dá)38微米尺寸的3d磁化編程能力。和之前最精密的10微米相比，雖然還有一定的差距，但是研究者指出磁化的精度可以通過優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)和機(jī)械原件的優(yōu)化來提升。總的來說，具有可重復(fù)變成的復(fù)雜形狀的多尺度軟機(jī)器人能夠?yàn)獒t(yī)學(xué)上，可穿戴健康設(shè)備以及仿生微型機(jī)器人帶來無限可能。希望今天的“熱輔助磁化編程”能夠啟發(fā)相關(guān)或者相似領(lǐng)域的讀者朋友，有些時(shí)候看起來不可變的現(xiàn)象或許也能夠發(fā)生變化，激發(fā)大家的創(chuàng)新的思路，找到突破口。

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