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折纸机器人的多功能金属骨架

发布时间:2021年08月18日    点击:[19]人次

折纸机器人的多功能金属骨架

可以通过紧密集成致动,感应和通讯的多种功能来形成折纸机器人。但是这项任务具有挑战性,因为用于此类机器人设计的包括塑料和纸张在内的常规材料施加了限制附加功能的约束。

为了向系统安装多功能,科学家通常必须包括外部电子设备,这会增加机器人的重量中国机械网okmao.com。在最近发表于科学机器人,美国和新加坡的化学与生物分子工程,生物医学工程以及电气与计算机工程交叉学科的同事Yang Haitao及其同事开发了一种利用氧化石墨烯(GO)的模板合成工艺,以生产可重构,顺应性和多功能的金属骨架。

骨干构成了内置了应变感应和无线通信功能的折纸机器人的基础。使用GO方法,研究人员形成了复杂的贵金属Origamis作为纸模板的结构复制品。

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机器人技术研究人员此前曾探索过日本古代的折纸艺术,以工程化人造肌肉,自动折叠机,弹簧折纸系统和机器人变形。通常,他们使用纤维素纸,聚酯,聚醚醚酮和聚四氟乙烯来制造此类发明的骨架。尽管提供了机械支持,但纸或塑料骨架缺乏刺激响应,感应和无线通信的功能。

现在,研究团队不再安装外部设备来提供这种功能,而是致力于开发多功能的软机器人主干网以实现紧密集成。研究工作尚未证明这种具有导电折纸骨架的原型软机器人具有传感和通信潜力。因此,科学家渴望开发一种新的制造方案,以生产机械稳定,柔软且导电的机器人骨架。

左:金属折纸结构的制造。

(A)由纯纤维素(上排)和GO-纤维素模板(下排)合成的四倍和膨胀的六角形金属折纸产品的照片。显示了在不同退火/煅烧阶段的基于Pt的产品。

从(B)仅纤维素和(C)GO-纤维素模板合成的Pt产品的SEM图像。

(D)GO纤维素折纸和按尺寸缩小的Pt折纸复制品的照片,包括(i)蜂窝,(ii)青蛙,(iii)花,(iv)恐龙,(v)飞机和(vi)波纹管。右:将Pt折纸复制品变成可变形的Pt弹性超材料。

(A)稀释的弹性体液体渗透到模板化的Pt复制品中可以制造Pt-弹性体超材料。(B)Pt-弹性体复合材料的自顶向下和横截面SEM图像。Pt-弹性体复合材料的厚度为约90μm。(C)平面Pt弹性体薄膜的大变形性(180°弯曲,360°扭曲和30%拉伸)。(D)Pt-弹性体膨胀六角形折纸在200次循环中的应力-应变曲线。(E)在90%单轴拉伸下具有Pt-弹性体折痕的EDS映射的原位SEM图像。(F)在单轴压缩(以-1至-3标记)和拉伸过程(以1-5标记)期间,Pt-弹性体拉长六角形折纸的样式与应变有关。标有0的数字代表初始状态。(G)在0°至180°弯曲下的平面Pt弹性体膜的电阻变化。(H)在各种单轴应变下膨胀型六角形和波纹管的Pt弹性体Origamis的相对电阻变化。Rs是单轴应变下Pt弹性体折纸的电阻;R0是未应变的Pt弹性体折纸的电阻。

在制造过程中,Yang等人。使用氧化石墨烯(GO)多层层插入各种金属离子前体,然后进行高温退火和煅烧以生产高维GO结构。金属氧化物复制品包括微观纹理,独立的股线和复杂的折纸结构,具有出色的化学控制和结构复制能力。提出的GO衍生方法将提供一个新平台,以生产复杂的金属架构,作为软机器人的多功能主干。

杨等。使用启用GO的模板工艺将纤维素纸膜或折纸形状转换为多种金属复制品。他们在制造过程中遵循了四个主要步骤,从凤凰形模板开始,形成了嵌入贵金属盐(Mn +)的GO-纤维素复合物(M-GO-纤维素)。得到的金属复制品在制造过程中经历了进一步的退火和煅烧过程,研究团队通过调整其煅烧温度来控制它们。科学家通过将各种3D折纸结构从纤维素纸形式转换为铂金属,创建了复杂的金属折纸结构,例如六角形蜂窝,青蛙,花朵,恐龙,飞机和波纹管。

具有内置无线通信功能的Origami Pt机器人。(A)在0%应变下在741.8 MHz处的两个Pt弹性波纹管的模拟3D辐射方向图。(B)双波纹Pt机器人的示意图,该机器人也用作可重构偶极天线。(C)左:可重构偶极子天线在0至50%的不同压缩应变下的回波损耗。右图:共振频率是500次循环机器人致动前后压缩应变的函数。(D)发送器Pt机器人(发送信号)(左)和接收器Pt机器人(接收信号)(右)的照片。(E)脉冲信号(发送方Pt机械手已发送)已被接收方Pt机械手很好地接收。发送信号的频率与接收信号的频率相同。(F)两个Pt机器人能够跨1.2米的距离进行远程通信。

为了提高机械稳定性,他们在金属折纸结构中加入了稀薄的弹性体,以实现较大的变形能力和可逆的重构。杨等。之所以选择铂金,是因为与金(Au)或银(Ag)相比,铂金属具有有效的结构保持性,较高的机械柔韧性和较高的导电性。

该团队针对高电导率和机械柔韧性优化了Pt-弹性体骨架,以使所得的平面Pt-弹性体复合材料能够承受较大且反复的变形,这对于软机器人骨架而言是理想的。可重配置的金属主干引入了多种不同的功能以形成超材料折纸机器人,其中包括耐火的内在潜力。研究小组通过允许Pt机器人与火焰直接接触以延长暴露时间(800 0 C,持续30秒)来测试此功能,相比之下,纸机器人在数秒(不到5秒)内被点燃。

Pt-弹性体骨架比纤维素纸机械手更薄更轻,但在可逆机械手致动过程中仍保持机械稳定。纸基机器人需要很大的压力变化才能伸长或收缩。而Pt机械手只需要较低的压力变化即可。杨等。然后开发出导电的Pt折纸机器人来发送和接收电磁波(EM),并用作无线通信的可重构天线。在制造之前,研究团队模拟了3-D辐射方向图,以探索Pt机器人作为辐射天线的用途,然后制造它们。科学家们还展示了充当发送器和接收器的两个Pt机器人之间的无线通信。当发送方机器人发送不同频率的脉冲信号时,接收方机器人驻扎1。

纸和Pt机器人之间的气压比较。

该团队比较了工作中的五种机器人功能,以证明使用具有GO功能的Pt金属骨架相对于(1)骨架密度,(2)机械刚度,(3)能源效率,(4)应变感应功能的技术优势。 (5)无线通讯能力。研究团队进一步优化了两个Pt机器人的无线通信功能,其中发送方机器人将导航指令无线传递给接收方机器人,以遵循引导路径成功绕过工程障碍。

然后,该团队使用添加的3-D制造技术扩展了该系统的应用程序,在该技术中,他们将Pt-Go-纤维素墨水与熔融沉积建模(FDM)结合在一起,以进行3-D打印金属机器人骨架成型形状。随后,他们设计了Pt机器人进行磁场远程控制。为此,杨等。用Pt-Go-纤维素墨水合成了Pt复制品,并用磁性颗粒渗透到聚合物溶液中,形成了磁性Pt主链。新结构包含通常的内置应变感应和无线通信功能,并增加了磁运动。磁性Pt机器人在磁驱动下可能会发生可逆的形状和身体变形,以与旋转磁场对齐地向前移动。

左:多功能Pt机器人的演示。(A)具有内置电阻加热功能的单波纹管Pt机器人。将两个Pt机器人冻结在冰块中。在20 V的施加电压下,上层Pt机械手很快被加热到约200℃。80℃在60 s内脱离冰层,并继续向前爬行。(B)具有内置应变感应功能的双波纹管Pt机器人。Pt机械手主干用铜线连接,并使用银浆固定连接。双波纹管Pt机器人的拟议路径包括(i)直线爬网,(ii)右转和(iii)左转。通过读取左和右Pt波纹管的当前轮廓,可以监控整个路径上的机器人动作。(C)两个双波纹管Pt机器人之间的无线通信。发送方机器人被投影路径上的障碍物阻挡,然后向左转以绕过障碍物。发送方机械手向接收方机械手发送了一系列信号。然后将信号解释为接收器机器人的移动指南,使机器人能够走上建议的路径而不会遇到障碍。右图:通过Pt-GO纤维素油墨制造磁驱动的Pt机器人。(A)通过开发Pt-GO纤维素墨水并结合FDM 3D打印,演示了Pt机器人的替代制造方法。经过两阶段的退火/煅烧,PDMS稳定并嵌入Nd–Fe–B颗粒后,制造出了一个磁驱动的Pt–(Nd–Fe–B)四脚机器人。(B)Pt–(Nd–Fe–B)四脚架机器人的内置应变感应和无线通信功能。(C)Pt–(Nd–Fe–B)四脚机器人在磁力驱动下上下弯曲。(D)Pt–(Nd–Fe–B)四脚机器人通过跟随旋转磁场的轨迹向前移动。

通过这种方式,杨海涛及其同事开发了一种支持Go的模板合成协议,以生产可重构,顺应性和多功能的金属骨架,以构建金属折纸机器人。机器人具有内置的应变感应和无线通信功能。用复杂的贵金属(包括银,金和铂)制成的合成金属主链是其纸制副本的高度结构复制。

与传统的纸和塑料相比,可重构的Pt弹性骨架具有重量轻,可变形性和功率效率高的特点。杨等。设想金属折纸机器人的实际应用包括高风险环境中的活动,用于人造肌肉和机械臂以及远程控制的不受束缚的机器人。他们的目标是利用电化学活性材料优化金属骨架,从而形成储能装置。这样的发展将丰富机器人材料库,以制造具有高功能集成的各种软机器人。