近日，由美國西北大學(xué)(Northwestern University)主導(dǎo)的國際工程師團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造并展示了有史以來最小的遙控行走機(jī)器人。這種亞毫米級(jí)機(jī)器人的神奇之處在于，它可以通過激光遙控行走、彎曲、扭曲、轉(zhuǎn)彎和跳躍。
該團(tuán)隊(duì)表示，這款“微型機(jī)器人”可以擴(kuò)展小型系統(tǒng)的功能和性能，使其更接近現(xiàn)實(shí)世界的應(yīng)用，比如修復(fù)或組裝小型結(jié)構(gòu)或機(jī)器，又或者作為外科助手，清除阻塞的動(dòng)脈以阻止內(nèi)出血或消除癌癥腫瘤。
與現(xiàn)有的小型化機(jī)器人制造方法不同，該團(tuán)隊(duì)的亞毫米機(jī)器人設(shè)計(jì)方法不需要復(fù)雜的硬件、電力或連接到遠(yuǎn)程控制設(shè)備。該團(tuán)隊(duì)的新方法受到了立體書中的3D圖片的啟發(fā)，研究小組在螃蟹機(jī)器人身上使用了形狀記憶合金，用激光從不同角度加熱它，刺激它的形狀發(fā)生變化，并在此過程中產(chǎn)生能量讓它移動(dòng)——激光的方向決定了機(jī)器人的移動(dòng)方向。
為了制造出像蟹爪一樣的機(jī)器人，工程師們首先將機(jī)器人的鎳鈦諾關(guān)節(jié)和支撐結(jié)構(gòu)的聚酰亞胺(PI)骨架轉(zhuǎn)移打印到一個(gè)拉伸的硅膠彈性體基底上。接下來，他們釋放基板上的張力，使硅片收縮，使平面鎳鈦諾/ pi設(shè)計(jì)彎曲并彈出，形成一個(gè)小螃蟹的3D形狀。這些微型機(jī)器人僅有半毫米寬，可以通過外部掃描激光進(jìn)行控制。
工程師們用掃描激光反復(fù)加熱和冷卻螃蟹的鎳鈦諾關(guān)節(jié)，使其擴(kuò)張和收縮(控制運(yùn)動(dòng)幅度、速度和方向)，從而啟動(dòng)了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。在之后的耐久性測試中，Rogers和他的同事們發(fā)現(xiàn)，鎳鈦合金接頭可以在520納米掃描激光下進(jìn)行超過10萬次連續(xù)的加熱-冷卻轉(zhuǎn)換，而不會(huì)失去穩(wěn)定性。
當(dāng)激光照射到機(jī)器人身上時(shí)，它們的關(guān)節(jié)會(huì)因受熱而擴(kuò)張。當(dāng)激光停止發(fā)光時(shí)，它們的關(guān)節(jié)會(huì)隨著冷卻而收縮。這導(dǎo)致它會(huì)像螃蟹一樣快速移動(dòng)，其速度和方向取決于光的頻率和角度。
機(jī)器人在硬幣邊緣實(shí)現(xiàn)控制運(yùn)動(dòng)的圖像
在概念驗(yàn)證演示中，工程師們展示了他們可以通過掃描激光的方向和角度來控制行走機(jī)器人螃蟹的方向。例如，當(dāng)用激光從左到右掃描腿部關(guān)節(jié)時(shí)，微型機(jī)器人從右到左飛奔。由于微型機(jī)器人非常小，關(guān)節(jié)的加熱和冷卻發(fā)生得很快，這使得機(jī)器蟹能夠以每秒半條身長的相對(duì)較快的速度移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)顯示，機(jī)器人在激光掃描頻率為0.1 Hz時(shí)的平均速度為0.017 mm/s，在頻率為10 Hz時(shí)的平均速度提高到0.49 mm/s。
這項(xiàng)研究還表明，機(jī)器人可以恢復(fù)到原來的二維形狀，并進(jìn)行改造以適應(yīng)不同的用途。通過不同的3D幾何形狀(仿尺蠖、蟋蟀和甲蟲)和激光掃描模式(通過單獨(dú)加熱和冷卻螃蟹的關(guān)節(jié))，他們創(chuàng)造出了更復(fù)雜的動(dòng)作，比如跳躍、轉(zhuǎn)彎、扭轉(zhuǎn)和彎曲。
工程師們展示了微型機(jī)器人作為無線環(huán)境傳感器的潛在用途。他們給機(jī)器人配備了反光鏡，當(dāng)環(huán)境中的材料因濕度或紫外線的變化而變色時(shí)，就會(huì)觸發(fā)機(jī)器人行動(dòng)。
除了這種機(jī)器人，工程團(tuán)隊(duì)還用相同的材料和制造方法創(chuàng)造了類似圓形螺旋和雙層螺旋的微型機(jī)器人。Rogers表示：“有了這些裝配技術(shù)和材料概念，我們可以建造幾乎任何尺寸或3D形狀的行走機(jī)器人?！?/span>
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