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DraBot:一种能够感知和监控环境的软蜻蜓机器人

通过|2021年3月25日

无电子的DraBot使用气压、微结构和自愈合水凝胶来观察pH值、温度和污染物的变化。

杜克大学(Duke University)教授Shyni Varghese领导的研究团队最近的一项研究报告称,一个名为DraBot的智能软机器人能够在水面上进行可控的掠水运动,并具有环境感知能力。这一概念验证演示可能是更先进、自主、远程环境哨兵的先驱,用于监测各种潜在问题的迹象,如pH值变化或石油的存在。

软机器人技术是一个新兴的研究领域,专注于使用水凝胶和弹性体等柔顺材料制造设备。软材料可以让这些机器人探索受限的环境,而基于硬材料的传统机器人无法在被动地与周围环境互动的情况下执行精细任务。

由于这些独特的特点,软机器人被用来创建手术工具,会对组织造成的损害少,如exosuits软机器人可以创建灵活的外层,并没有限制的运动刚性材料,作为环境监测的人工生物系统和医疗保健。结合智能和仿生材料的设计原则可以显著提高软机器人的功能,以执行专门或广泛的任务。

目前的研究使用了一种简单的材料设计,集成了刺激响应智能材料和微工程,创造了一个能够感知和适应环境变化的浏览软机器人。

该研究的第一作者、生物医学工程博士生瓦尔德曼·库马尔(Vardhman Kumar)解释说:“我们根据蜻蜓的身体平面设计了我们的skimming软机器人的结构,因为skimming是最常见的蜻蜓家族,因此被命名为DraBot。”“这个完全柔软的机器人是由硅树脂弹性体使用微加工制造的,并在其身体的不同位置装饰了多种功能元素,如灵活的驱动器和刺激响应和自愈合材料,以整合传感能力。”

机器人体内嵌入的微流体和空气微通道控制其运动。该机器人的前翼由空气通道组成,而后翼由微流体通道组成,使机翼能够拍打运动通过该研究的共同第一作者、Varghese研究小组的博士后研究员Ung Hyun Ko博士解释说。“前翼的空气通道将气流引导到后翼,从而利用喷射推进推进机器人。通过灵活的致动器拍打后翼,可以精确控制前进、转弯和停车。”

除了展示复杂的运动,机器人被设计来感知和调整其环境,从而使其更接近于模仿生命系统。“我们的实验室已经开发了几种刺激响应型水凝胶系统,其中之一是pH响应型、自愈合型水凝胶,在低pH条件下,单个水凝胶块可以瞬间愈合。这个过程是可逆的,暴露在高pH值下可以分离水凝胶,”Varghese说。“在软机器人技术中加入这种自愈材料可以增强它们的功能。”

在DraBot的案例中,水凝胶被整合到机翼的一侧。当机器人遇到酸性条件时,翅膀会一起愈合,从而无法拍打翅膀。这损害了机器人的前进运动,导致它需要转弯,从而充当了感知和报告水酸度的机制。

DraBot的另一个特点是它的机翼颜色会随着温度的变化而变化- - - - - -这一特征与某些种类的蜻蜓相似它们对温度敏感身体某些部位的颜色变化。机翼和腹部的微孔疏水结构有助于机器人保持漂浮和运动,也有能力吸收疏水杂质,如油。

因此,当DraBot通过水面油污区域时,它会吸收这些微孔结构中的石油。虽然这一概念验证研究证明了这种多功能机器人的潜力,但人们可以预见一些应用。pH-responsive运动的变化可以用来检测淡水酸化(问题影响geologically-sensitive地区),温度依赖颜色变化可用来检测水体温度的变化(与赤潮)和吸油特性可用于检测石油泄漏的早期迹象。

“智能机器人的未来当然在于软机器人和硬机器人的界面- - - - - -融合两个世界的优点。就DraBot而言,未来的原型机可能会结合车载能源/燃料库,这可能有助于我们避免使用油管,因为油管可能会在长期运行中缠结,并限制行驶距离。”“将无线摄像头集成到机器人上将进一步提高其报告能力。人们还可以在这些机器人中加入生命系统和生物传感器。

“软机器人是一个相对较新的领域,它在环境保护和医疗保健等领域的潜力是无限的。”

参考:Vardhman Kumar等人,用于软机器人的具有自愈合特性的微工程材料,先进智能系统(2021年)。DOI: 10.1002 / aisy.202100005