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哈佛团队受孔雀蜘蛛启发

时间:2020-02-16 13:32

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哈佛团队受孔雀蜘蛛启发。机器人专家一直在设想:在未来,一种创作灵感来源于动物的软体机器人可以安全地部署在难以进入的自然和人造环境中,例如在人体的精细外科手术中,或者在太小、太危险且刚性机器人不可探测的空间中。到目前为止已经制造出了厘米大小的软体机器人,但还无法制造出能够在更小尺寸范围内移动和操作的多功能柔性机器人。

哈佛团队受孔雀蜘蛛启发。一种新的制造工艺可以制造出具有微米结构的毫米级的软体机器人,如图所示,这是一个小型的软体机器孔雀蜘蛛,它的身体部分在移动,眼睛和腹部是彩色的

哈佛团队受孔雀蜘蛛启发。来自哈佛大学韦斯生物工程研究所、哈佛大学工程与应用科学学院和波士顿大学的研究团队现已克服了这一挑战,他们开发了一种集成制造工艺,可以设计出具有微米结构的毫米级软体机器人。为了展示他们的新技术的能力,他们受毫米大小的澳大利亚孔雀蜘蛛启发,使用单一的弹性材料创造了一种软体机器蜘蛛。该研究发表在Advanced Materials上。

该研究的共同作者Sheila Russo博士说:“这种最小的软体机器人系统仍然非常简单,通常只有一个自由度,这意味着它们只能驱动某一特定的形态或运动类型。”Russo曾在哈佛大学的韦斯研究所和工程与应用科学学院的Robert Wood团队担任博士后研究员,现在是波士顿大学的助理教授。“通过融合三种不同制造技术而开发的新型混合技术,我们创造了一种仅由硅橡胶制成的软体机器蜘蛛,它具有18个自由度,可以在结构、运动和颜色方面变化,以及微米范围内的微小特征。”

伍德博士是韦斯研究所Bioinspired 软体机器人平台的核心教员和共同领导者,以及工程与应用科学学院的教授。他认为:“在软体机器设备领域,这种新的制造方法有助于在小尺度实现与刚体类似的复杂性和功能性。在未来,它比刚性机器人更有利于帮助我们模拟和理解小型动物的结构功能关系。”

在Microfluidic Origami for Reconfigurable Pneumatic/Hydraulic (MORPH) 设备中,研究人员首先使用软体光刻技术生成12层弹性硅胶,这些硅胶共同构成了软体机器蜘蛛的材料基础。使用激光微加工技术精确地从模具中切割出每一层,然后粘合到下面的一层以形成软体蜘蛛的粗糙3D结构。

将这种中间结构转变为最终设计的关键是将预设的中空微流体通道网络整合到单个的硅胶层中。从外部使用光固化树脂并使用注射诱导自折叠技术来密封这些集成微流体通道。当树脂逐渐转硬时,某一单层以及他们的邻层会局部弯曲成最终构型并固定在空间中,软体蜘蛛的肿胀腹部和向下弯曲腿部便成为了永久性的特征。

我们可以通过改变不同层面附近的硅树脂的厚度以及相对稠度,或者是通过不同距离通道的激光切割,精确控制这种类似于折纸的折叠过程。“在增压过程中,通道起制动器的作用并使得结构发生永久性的变化,”第一作者和通讯作者Tommaso Ranzani博士说道。他是在Wood团队作为博士后研究员的时候开始的这项研究,现在波士顿大学担任助理教授。

剩余的微流体通道组成为额外的驱动器,它们通过彩色液体的流动来给眼睛着色或者模拟孔雀蜘蛛的腹部颜色图案,甚至驱动腿部结构的步行模式。“这种MORPH系统用单片集成电路制造,它可以在几天内完成并且可以反复设计以达到最佳效果。”Ranzani说。

韦斯研究所创始主任、医学博士、哈佛医学院血管生物学和波士顿儿童医院的血管生物学项目教授、哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授Donald Ingber说:“MORPH方法可以为那些更专注于医疗应用的研究人员开辟软体机器人领域,这些机器人的小尺寸和灵活性可以为内窥镜和显微外科提供全新的方法。”

文章来源:新材料在线