近日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院張文明教授團(tuán)隊(duì)與同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院李汶柏研究員合作研究，在Nature Communications上發(fā)表“Self-vectoring electromagnetic soft robots with high operational dimensionality”文章，提出了一種自矢量電磁軟體機(jī)器人的新概念，構(gòu)筑了完整的基于內(nèi)嵌微流道彈性體和可重構(gòu)液態(tài)金屬線圈的軟電磁驅(qū)動器實(shí)施方案，發(fā)展了基于洛倫茲力和矢量合成原理的高維度驅(qū)控的新方法，實(shí)現(xiàn)了軟電磁機(jī)器人中任意子域模塊的即時主動和可選擇性驅(qū)控，解決了通過有限數(shù)量驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的高效可重編程高維變形，以及多模式運(yùn)動、轉(zhuǎn)換的難題，為開發(fā)媲美自然界生物體的高靈活度和高集成度的軟體機(jī)器人系統(tǒng)提供了更多可能性。上海交通大學(xué)博士生陳虎越、同濟(jì)大學(xué)李汶柏研究員為共同第一作者，張文明教授和李汶柏研究員為共同通訊作者。
圖1 主動自矢量軟體電磁驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)和靜磁場下的自矢量高維驅(qū)控原理
受生物系統(tǒng)啟發(fā)的軟機(jī)器人具有卓越的靈活性、適應(yīng)性和安全性，在搜索救援、野外探索、人機(jī)交互和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面顯示出巨大潛力。軟材料和結(jié)構(gòu)在理論上能賦予傳統(tǒng)剛性機(jī)器人難以企及的無限自由度和靈活性，然而實(shí)際實(shí)施中受限于驅(qū)動機(jī)理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，更豐富的變形和更靈巧的運(yùn)動，不可避免地需要更多數(shù)量的軟驅(qū)動器和龐大復(fù)雜的控制系統(tǒng)。盡管相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開發(fā)出了流體驅(qū)動、電驅(qū)動、磁驅(qū)動、光驅(qū)動等多種軟驅(qū)動器，但它們在軟體機(jī)器人系統(tǒng)中的集成水平和驅(qū)動能力仍然與生物系統(tǒng)相差甚遠(yuǎn)。近些年通過嵌入預(yù)編程的磁性顆粒構(gòu)筑的小尺度磁控軟體機(jī)器人，展現(xiàn)出了更佳的靈活性和操控性。然而，無論是通過永磁鐵、電磁鐵，或者亥姆霍茲線圈控制外磁場進(jìn)行的操控，在控制系統(tǒng)構(gòu)成和操縱實(shí)施上都操作復(fù)雜、成本高昂，且現(xiàn)有的磁軟體機(jī)器人的加熱式重新編程方法速度慢、耗能高、無法實(shí)現(xiàn)原位定制。如何通過有限數(shù)量的驅(qū)動器和簡易的控制方案，實(shí)現(xiàn)軟體機(jī)器人的高效高維可重編程驅(qū)控目前仍然面臨較大的挑戰(zhàn)。
圖2 自矢量驅(qū)控實(shí)現(xiàn)的高維可重編程形狀變形和敏捷滾動運(yùn)動
研究團(tuán)隊(duì)利用嵌入的液態(tài)金屬制造出可重構(gòu)的兩類典型的軟電磁線圈，即具有垂直電磁矢量的平面螺旋線圈和具有水平電磁矢量的三維可重構(gòu)螺線管線圈。通過不同重構(gòu)策略將兩類基本模塊復(fù)合疊加，實(shí)現(xiàn)了三維空間內(nèi)任意方向的矢量合成。模塊化的“自矢量機(jī)器人”通過簡單的電流控制即可實(shí)現(xiàn)即時高效的可重新編程、獨(dú)立的子域驅(qū)動和全方向的矢量操控，通過最少數(shù)量的驅(qū)動器展示了更高維度的變形和運(yùn)動。研究分別實(shí)現(xiàn)了單驅(qū)動器和單路控制信號的適應(yīng)復(fù)雜地形的連續(xù)翻滾和雙向翻滾運(yùn)動，以及兩個驅(qū)動器和兩路控制信號控制的全向翻滾運(yùn)動和平面全向定位操控；展示了無需復(fù)雜多源控制和輔助設(shè)備，而僅通過兩路電流信號控制的高維可重編程形狀變形；另外實(shí)現(xiàn)了仿蠕蟲的雙向爬行和轉(zhuǎn)向，以及翻滾、全向爬行及原位旋轉(zhuǎn)等運(yùn)動，并且展示了集成控制系統(tǒng)的無拖纜水面游動和自帶磁鐵的水下游動。“自矢量”策略將為人機(jī)交互、醫(yī)療應(yīng)用、主動超材料等領(lǐng)域帶來新的啟發(fā)。
該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金，上海市“科技創(chuàng)新行動計(jì)劃”，上海市揚(yáng)帆計(jì)劃和同濟(jì)大學(xué)中央高校基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-35848-y
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