比獵豹快兩倍多!浙大校友研發(fā)軟體機器人速度超越F1賽車,登Nature子刊
“為什么追我?”
“因為我要急支糖漿。”
現(xiàn)在,你的急支糖漿要小心了,因為今天要介紹的這款軟體機器人奔跑速度是獵豹的兩倍!甚至比F1賽車還要快,最快可以以70 體長/s 的速度奔跑,相比之下,獵豹的運行速度約為25體長/s ,F(xiàn)1賽車為50體長/s (每秒體長表示的相對速度可以量化不同生物體在各種體型中的速度)。
這步伐看起來有點像憨態(tài)可掬的扇貝,不過可千萬別眨眼,不然它就跑沒影了。
這是約翰內(nèi)斯·開普勒大學軟材料實驗室團隊開發(fā)的一款由電磁驅(qū)動的微型軟體機器人,只有郵票大小,不僅奔跑速度超快,還能游泳、上臺階、跨越障礙物并且運輸貨物。
這項研究發(fā)表在《Nature Communications》雜志上,標題為“Ultrafast small-scale soft electromagnetic robots”。
文章的通訊及第一作者為是來自中國的毛國勇(Guoyong Mao)博士,本科與博士畢業(yè)于浙江大學,目前在約翰內(nèi)斯·開普勒大學做研究工作。
速度七十邁,身體是自由自在
自然界中的許多動物可以快速移動——例如獵豹或瞪羚,這些特征用來幫助動物捕獲獵物或躲避捕食者。多年來,制造具有相似速度能力、身體又柔軟靈活的機器人一直是科學家的目標,但柔性材料的天然缺陷,比如響應慢及力量小等,讓大多數(shù)軟機器人運動速度較為緩慢。
基于軟電磁彈性體的機器人(SEMR)通常響應速度快、易于小型化;軟電磁彈性體致動器可以在彈性基板上印刷液態(tài)金屬線圈制成,通過對液態(tài)金屬施加電流,可以控制致動器運動。
但像這樣的彎曲運動還遠遠不夠,想要賦予機器人高度運動機制,還需進一步的設計。研究人員將預拉伸層(頂部)粘合到未變形層(底部)上來制造雙層致動器,這樣當雙層膜被釋放時,它會卷曲起來,利用雙層膜的不匹配應變產(chǎn)生的卷曲與釋放,來模仿獵豹奔跑時的動作。
除了身體,機器人的腳部設計也很重要,所設計的L型腳可以在紙、木材、金屬、塑料和玻璃等各種平面上奔跑。不過腳部材料與平面的摩擦力越大時,機器人的奔跑速度就會越快,類似于獵豹的爪子能夠牢牢抓住地面一樣。
當機器人展開時,前腳向前移動,而后腳由于機械聯(lián)鎖而固定;然后機器人收縮,前腳固定,而后腳向前拉。它在 3D 波紋基材上(最佳平面)達到 70 體長/s的超高運行速度,在任意其他表面平均達到 35 體長/s。
到目前為止,小機器人都是由一根系繩外接電源系統(tǒng)驅(qū)動,為了進一步實現(xiàn)機器人的“自由”,研究人員放開了繩子,給機器人背上了電源“小書包”——定制的電池供電印刷電路板 (PCB)。背上書包的機器人運動速度不如之前那么快,但也能夠達到2.1 體長/s,游泳速度為1.8體長/s。
多功能性運動且不受束縛:不僅僅是速度
除了高速運動外,許多動物具有更廣泛的生存策略,例如對撞擊或墜落的恢復能力、躲避障礙物的能力、隨意穿越陸地/水生邊界的能力,以及運輸獵物的能力。
機器人同樣具有這些能力,研究人員對其進行了耐久性測試,在行走過程中用重物壓平,還用拉伸試驗機壓縮了機器人的主體,發(fā)現(xiàn)它可以承受達 139 atm(主體上為 2000 N)的壓縮應力。
僅有彈性還不夠,對于大多數(shù)小型機器人來說,克服障礙仍然具有挑戰(zhàn)性。該款機器人可以通過施加脈沖電流信號跳過障礙物,它首先收縮然后傾斜其身體(在此過程中存儲能量),然后像壓縮彈簧一樣膨脹(釋放能量),并跳過障礙物。
除了陸地環(huán)境,小機器人還學會了游泳,憑借其重量輕和相對較低的平均密度,它可以漂浮在水面上,無需進一步修改;當用方波電流(0.5 A,20 Hz)驅(qū)動時,機器人以 43 mm/s 或 4.8 體長/s 的最大速度游泳,如果未來進一步改進將可達到魚類的速度。
論文傳送門:
https://www.nature.com/articles/s41467-022-32123-4