在線留言
長2厘米，重0.3克，不僅身段靈活還能負(fù)載重物，也可以應(yīng)對(duì)高溫嚴(yán)寒等極端天氣……7月6日，武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院薛龍建教授課題組對(duì)外宣布，他們研制出一種可精準(zhǔn)控制方向和速度、綜合性能極佳的迷你軟體機(jī)器人，不僅破除了以往迷你軟體機(jī)器人只能在特定表面行走的瓶頸，拓寬了其作業(yè)溫域和地域，還能在狹窄空間進(jìn)行活動(dòng)，未來有望在廢墟狹縫以及生物體內(nèi)完成各種復(fù)雜作業(yè)。
仿生足部復(fù)合材料
擺脫運(yùn)動(dòng)表面限制
薛龍建課題組研發(fā)的這款機(jī)器人是一款通過調(diào)節(jié)光強(qiáng)等因素來進(jìn)行定向驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人。“它可以進(jìn)入到非常狹窄的地方，這也是我們研發(fā)軟體機(jī)器人的初衷。”薛龍建介紹。
目前，微型機(jī)器人的研究還不是非常成熟，常規(guī)機(jī)器人無法進(jìn)入狹窄的地方。因此，薛龍建課題組決定研發(fā)軟體微型機(jī)器人以解決這一問題。
課題組研究發(fā)現(xiàn)，問題的癥結(jié)在于迷你軟體機(jī)器人普遍缺乏足部設(shè)計(jì)，僅能在粗糙或者具有特殊結(jié)構(gòu)的表面行走，光滑或者有水表面都限制了迷你軟體機(jī)器人的行動(dòng)能力。
“我們的研究靈感來源于兩種動(dòng)物，即壁虎和尺蠖。”薛龍建介紹說，他們憑借在仿生材料研究領(lǐng)域長期經(jīng)驗(yàn)積累，嘗試在機(jī)器人上引入仿壁虎腳趾剛毛的足部，這種仿生足部結(jié)構(gòu)讓機(jī)器人具有良好表面適應(yīng)性。
“這樣迷你軟體機(jī)器人便有了自己的‘腳’，這也是我們這款機(jī)器人最重要的特點(diǎn)。”薛龍建強(qiáng)調(diào)，它的“腳”是由仿壁虎剛毛的微米三棱柱陣列組成，帶動(dòng)“腳”運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)由交替排列的透明聚二甲基硅氧烷（PDMS）條帶和石墨烯/PDMS復(fù)合材料條帶組成。而步態(tài)則是借鑒了壁虎腳的取向黏附能力和尺蠖前后足交替運(yùn)動(dòng)模式。
此外，這款機(jī)器人依靠光照控制，通過調(diào)節(jié)光照的強(qiáng)度、時(shí)間等因素控制其運(yùn)動(dòng)。在光照時(shí)，前足向前移動(dòng)；關(guān)閉光照時(shí)，后足向前移動(dòng)，交替的開關(guān)光照驅(qū)動(dòng)它不斷向前運(yùn)動(dòng)。
主體材料硅橡膠
適應(yīng)極端溫度變化
有了“腳”的機(jī)器人，無論在粗糙還是光滑平面，都能獲得足夠的抓地力以保證正常行走。它的疏水功能，使機(jī)器人在有水表面也可以行走，而且即使水量覆蓋住足部，運(yùn)動(dòng)過程也不會(huì)受到阻礙。此外，機(jī)器人的仿生足部設(shè)計(jì)和仿尺蠖的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，使它可以在傾斜30度的光滑表面穩(wěn)定停泊而不發(fā)生滑移，并進(jìn)行上下坡運(yùn)動(dòng)。
這款迷你軟體機(jī)器人不僅擺脫了運(yùn)動(dòng)表面的限制，還可以不受地域溫差的限制。“我們?cè)谘邪l(fā)之初就考慮到我國地域遼闊、各地區(qū)溫差較大的因素，所以它可以適應(yīng)極端溫度變化，在-20℃~100℃的氣溫條件下運(yùn)行。”薛龍建表示。
此前很多迷你軟體機(jī)器人所用材料是水凝膠。這種材料不耐高溫，也不耐低溫，這就導(dǎo)致水凝膠機(jī)器人的使用區(qū)域很有限。另外有些軟體機(jī)器人能夠適應(yīng)寒冷氣候，但到了炎熱地區(qū)便不能工作，這也很大程度上限制了機(jī)器人的應(yīng)用。
“為解決這一問題，我們選用了硅橡膠作為軟體機(jī)器人的主體材料。”薛龍建介紹說，“硅橡膠不僅耐高溫和低溫，還具有耐酸堿不易腐蝕等特點(diǎn)，用硅橡膠制作的軟體機(jī)器人不受地域限制，而且對(duì)人體無害，還能用到人體中。這是我們區(qū)別于其他機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。”
未來應(yīng)用領(lǐng)域
適合狹窄環(huán)境作業(yè)
“這款機(jī)器人雖然小，但在裝上‘腳’之后，不僅自由度得到提升，還能夠負(fù)載其自身50倍的重物平穩(wěn)行走。”薛龍建介紹說。
良好的表面適應(yīng)性和負(fù)載能力，以及遠(yuǎn)程控制特性，使該款機(jī)器人非常適合在狹窄惡劣的環(huán)境中進(jìn)行作業(yè)。比如可以在裂紋和深坑中進(jìn)行地質(zhì)勘探，廢墟裂縫中進(jìn)行搜救和目標(biāo)定位，甚至借助可穿透皮膚的紅外光源，在具有復(fù)雜表面形貌、酸堿性、溫度和濕度的生物器官內(nèi)或血管中進(jìn)行藥物遞送或是病灶檢查。
“具體來說，在地震、火災(zāi)、事故等救援中，普通機(jī)器人無法進(jìn)入到狹窄區(qū)域進(jìn)行探測(cè)勘察工作，這時(shí)便可以讓迷你軟體機(jī)器人替代完成。假如無法及時(shí)救援出被困人員，為了延緩人類身體機(jī)能的損失消耗，可以讓迷你軟體機(jī)器人攜帶食物、藥品進(jìn)入為被困人員提供幫助。”薛龍建表示。
此外，由于軟體機(jī)器人具有較大的自由度和變形能力，在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也很值得期待。薛龍建介紹：“我們正在努力將迷你軟體機(jī)器人的尺寸進(jìn)一步縮小，以應(yīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域。如讓迷你機(jī)器人通過定向控制到達(dá)身體中的指定位置，將藥物準(zhǔn)確的放置于病灶點(diǎn)，這樣不僅可以提升治療效果還能夠緩解病人的痛苦。”
