重要進展！全新的蜘蛛腿啟發(fā)的毫米級軟外骨骼系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)文摘受權轉載自機器人大講堂

自然界中的生物體展示了結構與功能的無縫結合，這主要得益于液體在各器官之間的流動和連接。蜘蛛是一類特別突出的例子，其體內(nèi)的血淋巴不僅能實現(xiàn)肌肉激活，還能賦予骨骼適應性。與以往研究關注于分離的方面（如加壓和柔性結構）不同，最近刊登在Advanced Functional Materials上的一項研究展示了一種全新的蜘蛛腿啟發(fā)的軟外骨骼系統(tǒng)，它通過包含的液體實現(xiàn)了肌肉系統(tǒng)的整合，利用水合作用和電荷傳輸來進行肌肉激活和結構適應。這一技術的實現(xiàn)標志著生物啟發(fā)的軟機器人領域取得了重要進展。

           

系統(tǒng)概述

           

生物模型與功能組件    

     

蜘蛛腿作為生物模型展示了多相物理和多功能元素的無縫融合。其結構支撐通過外骨骼實現(xiàn)，內(nèi)部含有血淋巴這種液體，能夠同時賦予結構適應性和肌肉激活能力。具體而言，血淋巴提供了肌肉收縮-放松所需的氧氣和營養(yǎng)物質，并通過水化外骨骼實現(xiàn)其受控變形。本文中，研究團隊設計并制造了一種毫米級的軟外骨骼，模仿了這種生物系統(tǒng)。   

           

人工系統(tǒng)設計

           

研究團隊使用雙光子聚合技術制造了直徑0.8毫米的外骨骼，內(nèi)部包含電解質溶液，通過離子電活性聚合物肌肉的收縮進行驅動，操作電壓為0–1伏特。該外骨骼能夠實現(xiàn)可逆彎曲，并與自然實體（如花藥、蜘蛛網(wǎng)和花粉顆粒）進行柔順交互。該技術展示了液體在肌肉化、血管化和神經(jīng)化中的功能性整合，支持了基于液體實現(xiàn)能量傳遞和多材料設計的發(fā)展，特別是在生物啟發(fā)的軟機器人領域。

           

技術實現(xiàn)

           

結構設計與制造

           

通過雙光子聚合技術，研究團隊設計并制造了一個單材料的外骨骼。該外骨骼的設計考慮到了局部厚度變化，以實現(xiàn)結構適應性的幾何調(diào)節(jié)。內(nèi)部包含的電解質溶液不僅提供了電荷傳輸?shù)慕橘|，還通過水化作用增強了外骨骼的柔順性。此外，電解質溶液能夠為離子電活性聚合物肌肉提供所需的離子源，從而實現(xiàn)肌肉的有效激活。

           

實驗演示

               

實驗中，該毫米級軟外骨骼展示了其卓越的功能。通過控制電壓，外骨骼能夠實現(xiàn)精確的彎曲和運動。這種液體驅動的系統(tǒng)不僅能夠模仿蜘蛛腿的生物機制，還能與自然環(huán)境中的各種元素進行互動，如花藥、蜘蛛網(wǎng)和花粉顆粒。實驗結果表明，該系統(tǒng)在復雜環(huán)境中的應用潛力巨大。

                     

           

實驗細節(jié)與結果分析

           

實驗設備與材料

           

為了驗證設計的可行性，研究團隊進行了詳細的實驗測試。實驗設備包括精密電壓控制裝置、顯微鏡觀察系統(tǒng)和力學性能測試儀。材料方面，使用了離子電活性聚合物（IEAP）作為主要的驅動材料，電解質溶液采用常見的鹽溶液以確保電荷傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

           

實驗方法

           

實驗分為多個步驟進行。首先，制造毫米級軟外骨骼并注入電解質溶液。然后，通過顯微鏡觀察系統(tǒng)監(jiān)測外骨骼的初始狀態(tài)。接下來，逐步施加電壓，觀察外骨骼的彎曲和運動情況。最后，通過力學性能測試儀測量外骨骼在不同電壓下的力學響應，以評估其運動性能和柔順性。   

           

實驗結果

           

實驗結果顯示，毫米級軟外骨骼在0-1伏特的電壓范圍內(nèi)能夠實現(xiàn)精確的彎曲和運動。具體表現(xiàn)為，隨著電壓的增加，外骨骼的彎曲角度逐漸增大，并且能夠保持較高的重復性和穩(wěn)定性。此外，力學性能測試結果表明，外骨骼在不同電壓下的響應力較為一致，證明其具有良好的力學性能。

           

在與自然物體互動的實驗中，毫米級軟外骨骼展示了其卓越的柔順性和適應性。例如，當與花藥接觸時，外骨骼能夠柔順地包裹住花藥，并在電壓控制下實現(xiàn)精細的抓取和釋放動作。這一結果表明，毫米級軟外骨骼不僅具有優(yōu)異的運動性能，還能夠與復雜的自然環(huán)境進行有效互動。

           

           

討論

           

設計優(yōu)勢

           

該毫米級軟外骨骼設計的一個顯著優(yōu)勢在于其結構和功能的高度集成。通過液體實現(xiàn)了肌肉系統(tǒng)的整合，使得外骨骼在具備柔順性的同時，還能夠實現(xiàn)高效的運動控制。此外，液體在系統(tǒng)中的多重角色，如水合作用、電荷傳輸和力學支撐，使得外骨骼能夠在多種環(huán)境下保持穩(wěn)定的性能。               

技術挑戰(zhàn)與解決

           

盡管取得了一定的成功，研究中依然面臨一些技術挑戰(zhàn)。首先是液體的封裝和密封問題。在毫米尺度下，液體的封裝需要極高的精度，以防止泄漏和污染。研究團隊通過優(yōu)化制造工藝和材料選擇，成功解決了這一問題。其次是電荷傳輸?shù)男省Ｔ诘碗妷合聦崿F(xiàn)高效的電荷傳輸是一個關鍵挑戰(zhàn)。研究團隊通過選擇合適的電解質溶液和優(yōu)化電極設計，提高了系統(tǒng)的電荷傳輸效率。

           

潛在改進方向

           

未來的研究可以在多個方面進行改進和優(yōu)化。例如，可以探索不同類型的電解質溶液，以進一步提高系統(tǒng)的性能。此外，可以嘗試將毫米級軟外骨骼與其他類型的驅動材料結合，如形狀記憶合金或壓電材料，以實現(xiàn)更復雜的運動模式和功能。最后，可以通過優(yōu)化設計和制造工藝，進一步縮小外骨骼的尺寸，以適應更廣泛的應用需求。

           

           

應用前景

           

生物啟發(fā)的軟機器人    

           

這種基于液體驅動的毫米級軟外骨骼具有廣泛的應用前景。首先，在生物啟發(fā)的軟機器人領域，該技術展示了通過液體實現(xiàn)能量傳遞和多功能集成的潛力。未來的軟機器人可以利用這種技術，實現(xiàn)更為復雜和精細的運動和任務執(zhí)行。

           

醫(yī)療和康復

           

在醫(yī)療和康復領域，軟外骨骼可以用于輔助患者的運動功能恢復。其柔順性和適應性使其能夠與人體復雜的結構和運動模式相匹配，從而提供個性化的康復方案。此外，該技術還可以用于開發(fā)微創(chuàng)手術工具，通過精細的控制和操作，減少對人體組織的損傷。

           

微型機器人

毫米級的軟外骨骼還可以應用于微型機器人領域。這些微型機器人可以在狹小和復雜的環(huán)境中進行探測和操作，如管道檢查、醫(yī)學影像和環(huán)境監(jiān)測等。通過液體驅動和柔順設計，這些微型機器人能夠實現(xiàn)高效和靈活的運動，適應各種任務需求。

           

結論

           

本文介紹了一種受蜘蛛腿啟發(fā)的毫米級軟外骨骼系統(tǒng)，通過液體實現(xiàn)了肌肉系統(tǒng)的整合，利用水合作用和電荷傳輸實現(xiàn)了肌肉激活和結構適應。這一技術展示了在生物啟發(fā)的軟機器人領域的重要進展，具有廣泛的應用前景，包括醫(yī)療、工業(yè)自動化和環(huán)境監(jiān)測等領域。

               

實驗結果表明，該毫米級軟外骨骼在0-1伏特的電壓范圍內(nèi)能夠實現(xiàn)精確的彎曲和運動，具有良好的柔順性和適應性。未來的研究可以進一步優(yōu)化設計和制造工藝，探索多功能集成和材料創(chuàng)新，以提升軟外骨骼的性能和應用范圍。

           

通過不斷的創(chuàng)新和發(fā)展，毫米級軟外骨骼有望在各個領域發(fā)揮重要作用，為人類帶來更多便利和福祉。

           

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