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液滴遇上柔性電子,讓機器人實現“72變”
電子網2019-11-19 09:58:43科技日報
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 《西游記》中孫悟空“72變”化身小蟲,鉆到妖怪肚子里大顯身手的故事,表現了古人對于微觀世界的大膽創想。近日,天津大學精儀學院黃顯教授團隊成功研發全球首個液態全柔性智能機器人,能“72變”的“血管醫生”讓神話成為現實。相關研究成果近期發表于國際工程和自然科學領域權威期刊《尖端科學》,并得到國家自然科學基金和天津自然科學基金等支持。

  目前軟體機器人存在“硬傷”

  如今機器人技術已經被應用到各個領域,有一類機器人可以根據所處的地理環境,自由改變其結構和外觀,具有運動能力、變形能力和傳感測量能力,這類機器人被稱為無定形軟體機器人。

  “這類機器人是基于柔性電子器件所具有的超薄、柔性、可延展的類皮膚特性,利用柔性電子技術研發的微型軟體機器人,不僅可以反復改變形狀,還實現了運動、抓取、運輸和觸覺感應等功能。”黃顯教授團隊成員、博士研究生周明行介紹,其在生物醫學領域和安全領域有著自己獨有的優勢。在生物醫學領域,無定形軟體機器人在可控藥物釋放以及植入式醫療機器人等方面有著巨大的潛力,微型軟體機器人可以通過注射方式隨血液進入血管,借助傳感元件和包載藥物,對血液和血管進行測量,實現定點可控藥物釋放等功能。在安全領域,無定形軟體機器人能進入人類無法進入或者危險的環境,并對環境中的物理、化學和生物等信號進行檢測,環境適應能力強,在排險、探傷、偵查、軍事安全領域具有廣泛的應用前景。

  “不過現階段,已有的或者在研的軟體機器人依然存在著一些‘硬傷’。”周明行解釋,這是因為,目前柔性電子器件主要貼附于或者集成在有機體、機器和電子產品上工作,依附物往往位置固定,活動范圍受限。部分軟體機器人雖然可以實現運動、抓取、運輸和觸覺感應等功能,但這些功能的實現主要依賴于傳統的剛性傳感元件和電路,還沒有做到機體和功能電路的全柔性構造,嚴重阻礙了性能的實現,比如普通軟體機器人無法進入或者通過狹窄的血管、縫隙。這就需要全柔性、無固定形態,像液體一樣的機器人出現,來滿足這種需求。

  “智能液滴”有望成為血管醫生

  怎么才能制成全柔性的機器人呢?黃顯團隊受自然界水母、輪蟲等腔腸動物和浮游生物的啟發,利用液滴的柔軟無定形特性和柔性電子器件的超薄柔軟特性,構建了一種全新的“智能液滴”——液態全柔性智能機器人,首次實現了軟體機器人運動載體和功能測量器件的全柔性化和可編程控制。

  周明行介紹,團隊基于微納加工技術制作出超薄(厚度小于10微米,相當于頭發絲的十分之一)多功能柔性電子器件,利用液滴浮力和表面張力等特性,將柔性電子器件懸浮于液滴表面,通過改變液滴種類和器件設計,實現在不同環境和控制條件下“智能液滴”的運動、變形和傳感測量等功能。

  這種“智能液滴”可以將電子器件投遞至目標指定位置并完成功能組裝。周明行說:“我們通過在水液滴中摻入四氧化三鐵納米顆粒,利用磁場控制,使‘智能液滴’可以以226厘米/分鐘的速度進行可編程化運動。在運動過程中,遇到細小夾縫、凸起表面時,‘智能液滴’可隨意變形通過障礙物,到達指定位置后恢復原狀。”

  當遇到需要多種功能的“智能液滴”的情況時,為了不增加整體大小,還可以把每種功能分別制作成“智能液滴”。一是這些“成員”到達指定地點,利用三維磁場操控,就能把它們組裝集成起來。

  液滴和柔性電器器件結合是一種全新的構建全柔性軟體機器人的思路、方法,該方法為全面實現復雜環境下可獨立工作的軟體機器人奠定基礎。周明行表示,這種方法給時間和勞動消耗型研究帶來了便利。高通量可編程控制的特點,使其可應用于基因測序、化學合成、藥物遞送和微組裝等需要精確操控和持續檢測領域,有望成為能進入人體檢測治療的“血管醫生”,具有十分重要的科學意義和應用價值。(陳 曦 通訊員 焦德芳)

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