日前，中國(guó)科大學(xué)上海先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心吳新宇研究團(tuán)隊(duì)與臺(tái)灣城市學(xué)院申亞京團(tuán)隊(duì)合作，提出一種通用、可擴(kuò)充、能應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的微型機(jī)器人全新制造方法——利用膠質(zhì)磁性噴霧使無(wú)生命目標(biāo)物體成為可控微型外骨骼。
研究成果以Ansprayintofor為題發(fā)表在機(jī)器人領(lǐng)域頂尖刊物上。上海先進(jìn)院尚萬(wàn)峰副研究員和臺(tái)灣城市學(xué)院博士生楊雄為共同第一作者，吳新宇研究員和臺(tái)灣城市學(xué)院申亞京副院長(zhǎng)為共同通信作者，其他作者包括陸豪健博士、劉雁婷博士、博士生楊柳以及譚蓉。
微型機(jī)器人因?yàn)槠淞己玫目煽匦院瓦m應(yīng)性而在生物醫(yī)學(xué)中有著廣泛的應(yīng)用前景。并且考慮到目標(biāo)對(duì)象多變的規(guī)格和形狀，以及工作環(huán)境的非結(jié)構(gòu)化和不可預(yù)測(cè)，單一機(jī)器人常無(wú)法應(yīng)對(duì)不同的任務(wù)或環(huán)境。一種可擴(kuò)充、通用、能應(yīng)對(duì)不同場(chǎng)景的微型機(jī)器人制造方式仍存在很大挑戰(zhàn)。
在自然界，好多生物本身并沒(méi)有挺好的運(yùn)動(dòng)能力，而且它們卻可以通過(guò)寄生或吸附的方式借助其他生物或物體抵達(dá)自身無(wú)法企及的地方,例如，有一種彩蚴球蟲(chóng)才能感染蝸牛并控制蝸牛違反原先的生活習(xí)性爬到高處。受此演變啟發(fā)，團(tuán)隊(duì)研制了一種由聚乙烯醇（PVA）、谷蛋白（）和鐵粉（Iron）混和而成的膠質(zhì)磁性噴霧，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體表面涂裝的形式，給它穿上一層磁性外衣（只有約100-200um長(zhǎng)度），可變魔術(shù)般將無(wú)生命物體弄成可以磁驅(qū)的微型機(jī)器人智能體。該種磁性噴霧在固化前表現(xiàn)出良好的自黏性，除了才能黏附親水和疏水的表面，并且在磁性噴霧固化后磁性噴霧的自黏性會(huì)驟然消失，即在對(duì)物體表面貼合的同時(shí)而對(duì)外界環(huán)境不表現(xiàn)出任何黏性。這一特點(diǎn)保證了外界環(huán)境不會(huì)對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)引起不良影響。
圖1.磁性噴霧將無(wú)生命物體轉(zhuǎn)變?yōu)榇趴匚⑿蜋C(jī)器人的過(guò)程
這些借助物體本身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的方式具有極強(qiáng)的適應(yīng)性。智能仿生中心尚萬(wàn)峰副研究員從理論剖析和有限元模擬等多個(gè)角度入手，揭示了該類噴霧磁化方式的微型機(jī)器人通用運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型。理論剖析顯示，只要在磁轉(zhuǎn)矩和磁拉力作用下不同的微型機(jī)器人會(huì)借助其本身獨(dú)有的結(jié)構(gòu)和形態(tài)進(jìn)而形成相應(yīng)的變型以及步態(tài)。為進(jìn)一步驗(yàn)證該策略的可行性磁力矩，團(tuán)隊(duì)使用磁性噴霧將絲線、折紙、PDMS薄膜和塑膠管等各類不同材料和形狀的常見(jiàn)物體轉(zhuǎn)化為磁驅(qū)機(jī)器人，但是在磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)了爬行、行走、滾動(dòng)、游動(dòng)等運(yùn)動(dòng)方式，與理論剖析一致。除具備良好運(yùn)動(dòng)能力外，覆蓋在物體表面的磁性噴霧還具有可控離解，可重編程等特征，為其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了很大潛力，如主動(dòng)送藥、可控內(nèi)窺探頭等。
圖2.磁性噴霧將不同材料和形狀的目標(biāo)物體變?yōu)榇趴匚⑿蜋C(jī)器人
將無(wú)生命的物體按需轉(zhuǎn)化為可聯(lián)通的微型機(jī)器人的策略為在不可預(yù)知的有限空間進(jìn)行操作、運(yùn)輸和交付提供了潛力。吳新宇研究員強(qiáng)調(diào)：“這種‘寄生’的方法，給我們仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了一個(gè)新的思路。我們希望就能借助該策略，拓展現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)仿生磁力矩，在將來(lái)才能設(shè)計(jì)出具有運(yùn)動(dòng)能力的傳感、微外骨骼等。”
圖3.覆蓋在目標(biāo)物體表面的磁性噴霧在振蕩磁場(chǎng)下解體