北卡州立大学朱勇教授团队仿毛毛虫双向爬行机器人登上《科学进展》杂志

来源:高分子科学前沿  2023-03-28

软机器人在生物医学工程、手术辅助、主动假肢、伪装和感知技术方面引起了学者的广泛关注。研究人员一直在探索如何使用各种外界刺激对软机器人实现驱动,包括压力、热量、电场、磁场和化学势。在各种类型的刺激中,电刺激是最简便的刺激之一;该类制动器中使用最广泛的是离子或场激活的电活性聚合物。对于一般的电刺激致动器,离子激活过程通常在电解质环境中进行,而场激活则需要高电压(>1kV)。另一种类型的电刺激致动器,热双晶致动器,基于两种材料的热膨胀系数不匹配。由于其可编程操作、重量轻、低致动电压、无电解质以及可远程操作(例如,通过无线充电驱动)等潜力,引起了人们的广泛关注。

鉴于此,北卡州立大学朱勇教授团队提出了一种受毛毛虫启发的双向爬行机器人,该机器人具有多种运动模式,通过在基于液晶弹性体(LCE)的热双晶致动器中对分布式可编程银纳米线(AgNW)加热器进行焦耳加热来实现运动。通过对AgNW的加热模式进行设计和可编程加热,实现了不同的温度分布和曲率分布,导致机器人前端和后端与地面之间的摩擦不同,从而实现双向运动。作者表征了爬行机器人在正向和反向运动中的性能,并展示了其通过狭窄缝隙的能力;还通过实验和有限元分析研究了机器人的运动模式、爬行速度和通过狭窄间隙的能力。该研究以题为“Caterpillar-inspired soft crawling robot with distributed programmable thermal actuation”的论文发表在3月24日出版的《科学进展》(Science Advances)上,并作为Science头条报道。

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自然界中的毛毛虫可进行双向运动。在向前运动的过程中,毛毛虫在固定前部的同时收缩一些后部,使尾部向前移动,在后部产生一个特征性的隆起。随后,它在锚固终端尖端的同时释放隆起。整个躯体再次变平,实现向前移动一步(图1A)。在反向运动过程中,毛毛虫将末端固定在地面上,然后身体中部剧烈收缩,使整个身体向上拱起。然后,在固定前部的同时,躯体释放隆起,再次变平并向后移动一步(图1B)。实现双向运动的关键是控制身体弯曲。图1C和D展示了当不同的加热通道(或模式)被加热时,爬行机器人的正向和反向运动。当加热器关闭时,弯曲的双晶片结构的松弛使致动器向前或向后完成一个运动周期。

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图1. 仿生爬行运动。

爬行机器人的制造过程如图2A所示。作者使用导电性优异和柔顺性良好AgNWs作为加热元件,嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)基质的表面下方。爬行机器人是一种双晶结构,在LCE的顶部层压了AgNW/PDMS和炭黑(CB)复合膜。AgNW图案是通过在掩模的硅衬底上滴注AgNW溶液来实现成型。炭黑粉末掺杂在PDMS前体内部以提高热导率。然后,将液体PDMS/CB复合物滴在AgNW网络的顶部并固化。AgNW网络半嵌入PDMS/CB基质的表面之下(图2B)。AgNW/PDMS/CB复合膜和LCE带之间的强结合是通过等离子体处理和机械压力实现的。

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图2. 仿毛虫爬行机器人的设计和制造。

机器人的运动模式和爬行速度

该机器人具有前进和后退两种运动模式。图3A展示了机器人的向前运动模式。当致动器A(机器人的左半部)的通道1被激活(正向模式)时,致动器A开始拱起,并导致左端和右端(fA和fB)之间的摩擦竞争。由于弧形的不对称性,左端向右滑动,而右端保持静止。当电源关闭时,不对称弧形的松弛导致摩擦力fA和fB同时切换方向,并开始新的竞争。这一次,fB首先达到滑动摩擦并开始向右移动,而左端被锚定,直到整个机器人返回到初始平坦状态。类似地,图3B展示了当致动器A的通道2被激活时致动器A的反向运动模式。在反向模式下,机器人的更多中间部分被抬起,在右端和地面之间留下较小的接触面积。与地面接触面积的差异导致了相反的摩擦竞争结果。

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图3. 毛毛虫机器人的两种爬行模式。

爬行机器人的运动速度(在正向模式和反向模式下),是施加电流(从5到30mA)和致动频率(从0.064到0.264Hz)的函数(图4)。当施加的电流增加时,正向和反向模式的速度都会增加(图4,A和B)。然而,就速度与频率的关系而言(图4D),运动速度首先随着致动频率的增加而增加,但随后降低。当它达到最大值时,频率的进一步增加会降低运动速度。这是由于在每个致动循环期间存在所需的最小加热和冷却时间。当致动频率低时,运动速度低。然而,当频率过高时,在每个循环内,冷却时间太短,爬行机器人无法再次变平,甚至加热时间不足以达到目标曲率。因此,运动速度下降。

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图4. 爬行机器人的运动速度。

爬行机器人可穿过狭窄缝隙

最后,作者展示了该爬行机器人可穿过高度比机器人低得多的狭小缝隙。图5A为爬行机器人运动的侧视图。由于两个致动器的对称性,该致动器转换以及模式转换不会改变整个装置的移动方向。通过重叠整个运动过程中所有照片,可以观察到一个包络线轮廓(图5B中的虚线)。该轮廓可以揭示了爬行机器人可通过的障碍物的几何尺寸。具体地,作者设置了一个高度仅为3毫米、长度为30毫米的受限隧道。通过结合两种运动模式,机器人能穿过该封闭隧道并返回初始位置(图5D)。这种能通过小型受限空间向前和向后移动的能力在搜索和救援等许多应用中具有很大的潜力。

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图5. 爬行机器人可穿过狭窄缝隙。

小结:

该工作设计并制造了一种模仿毛毛虫、具有双向运动能力的高效爬行机器人。该机器人的运动行为是基于液晶弹性体热双晶致动器中银纳米线网络组成的图案化柔性加热器的焦耳热效应。通过设计银纳米线加热图案的焦耳热效应,可实现对不同致动模式的控制。机器人的运动原理是通过设计加热模式和可编程加热,实现不同的温度和曲率分布,从而引起前端和后端与地面之间的摩擦差异。作者对运动模式的摩擦机理进行了有限元分析,与实验结果吻合较好。为了展示爬行机器人的潜在应用,作者展示了机器人通过狭窄缝隙的能力。采用热响应材料的分布式和可编程加热策略可以为智能和多功能软机器人提供前所未有的功能。

文章链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf8014

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