iis网站服务器基本安全设置步骤,做淘宝美工的网站,wordpress主题表单功能,wordpress个人外链会行走、能搬货#xff0c;还会 “跳街舞”。近日#xff0c;美国西北大学发明出一款软体机器人#xff0c;该机器人看起来像一只剥开的柠檬皮#xff0c;它能在水箱中运动#xff0c;并拥有多种本领#xff0c;比如搬运物品、催化化学反应、输送治疗剂等#xff0c;而它…会行走、能搬货还会 “跳街舞”。近日美国西北大学发明出一款软体机器人该机器人看起来像一只剥开的柠檬皮它能在水箱中运动并拥有多种本领比如搬运物品、催化化学反应、输送治疗剂等而它只需光场和磁场的驱动便可实现上述功能。图 | 正在“卸货”的机器人DeepTech 联系到该研究论文的共同第一作者袁航这位来自重庆的 26 岁小伙表示他主要负责研究中的理论与模拟部分其目前在西北大学 Olvera de la Cruz 实验室做研究正在读应用物理专业 PhD 的第四年。该研究论文于近日发表在 Science Robotics 题目为 “Fast and programmable locomotion of hydrogel-metal hybrids under light and magnetic fields。研究主要由西北大学 Stupp 团队、以及袁航所在的 Olvera de la Cruz 团队完成。图 | 论文详情页(来源Science Robotics)袁航参与研究的这款机器人外表酷似柠檬但它身上 90% 的成分都由一种名为水凝胶的仿生材料构成。如大家所知传统机器人通常像个笨重的机器上面有很多硬件和电子元件因此它们无法和含人体在内的软结构进行安全互动。而合作团队设计的 “柠檬片” 能在微小空间内、水下或地下执行任务。该机器人的外观非常小直径约 1 厘米只有大拇指指甲盖那么大但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬运东西从能力上看颇具生命属性。图 | 正在爬坡的机器人该研究的痛点是基于当前软体机器人具有很多优点但它们的制造工艺相对简单。而随着 3D 打印的兴起更复杂、更便宜的软体机器人材料有望诞生而由于软体机器人柔性较高在狭窄工作环境中可发挥出独有的优势因此业界一直盼望这类机器人可早日投入应用。然而目前所有软体机器人均存在一个巨大问题即为确保机器人的整体柔性供能和控制部分通常需要外置。因此机器人在移动时都会拖着管子或电线这严重影响了机器人自身活动的 “自由性”。而袁航所在团队则巧妙地解决了上述问题他们使用了轻盈的水凝胶材料来作为机器人的外表。机器人内部包裹着镍纳米线支架并含有特殊设计的聚合物分子这种设计让它能对外界磁场产生响应。在保持柔性的同时它还可摆脱硬件、液压或电池的束缚。光和磁场的结合让机器人实现行走或滚动袁航表示机器人用的水凝胶材料具有双重响应它既能对光响应也能对磁场响应。在水凝胶的基础上该团队加入一种对光敏感的分子这种分子一旦受到光的照射就会从亲水性变成疏水性 这时水凝胶就会收缩、并把水排出去机器人随之就会产生光控制的弹性形变。另一方面袁航和团队在合成材料时把带铁磁性的纳米线和水凝胶单分子放到一起加上磁场后就能把纳米线排列起来使得它们能沿特定方向排列。同时在合成水凝胶的过程中纳米线也会被固定到水凝胶里面这样水凝胶不仅能对光产生效应由于其内部的磁性纳米线也使得它能被外加磁场控制。图 | 水凝胶机器人在旋转磁场下执行任务当施加外磁场水凝胶内部固定的磁性纳米线就会向水凝胶施加应力从而让水凝胶产生形变基于该原理就能控制机器人行走或者滚动。概括来说这是基于磁场和弹性之间的一种耦合。这种化学合成除让机器人实现行走和滚动之外还能让它通过狭窄通道和复杂路线。当暴露在 LED 光下时机器人的分子会排斥水分并让水分子逸出其自身也会从平面十字形状、变成站立姿势此时它的 “腿” 就像肌肉一样紧绷。由于机器人内嵌的镍骨架具有铁磁性因此可通过磁场使机器人的腿部移动。为了驱动机器人该团队把外加磁场编程为特定的序列这些序列能让机器人沿着所需路径运动再加上精确的计算就可让机器人沿着预设的任意路径进行运动。图 | 光触发在旋转磁场下行走袁航说此前机器人多数用 3D 打印因此在材料合成时磁场方向基本通过磁化就会固定下来所以要改磁化方向就必须得加磁场。但是该团队加入了光场因此可通过光场来调控磁化方向磁化方向一变机器人对磁场的响应也会随之改变。据悉在该团队中的 Stupp 组于今年早些时候发表的一项研究中机器人材料可以在几分钟内实现弯曲并以每 12 小时一步的缓慢速度爬行。而现在的“柠檬片”可在磁场的响应下每秒迈出大约一步可操控性更强就像控制玩具车一样。一旦到达目的地该机器人就可通过倒转形状来卸载货物或者用跳街舞一样的旋转动作来脱落和释放较粘稠的物体。此外该软体机器人还可通过分子设计来识别并主动清除特定环境中不需要的颗粒其运动速度也比此前诞生于同一实验室的软性机器人要快得多。图 | 水凝胶机器人响应纳米线取向的行走模式对于上述功能的实现袁航告诉 DeepTech在机器人进行转向与轨迹设计实验时他遵循磁弹性的理论搭建了数值计算模型并基于机器人感光后的形状与外加磁场强度预测出了机器人相应的运动轨迹。机器人在运动时需要一个很好的数学模型所以袁航先在模型中计算需要怎样的磁场来实现转向。然后他和团队用在模型上计算出来的磁场加载在实验室的设备上面最终发现了和模型预言相当吻合的行为。可做药物递送和容器反应袁航认为未来的机器人版本可能更小甚至可以达到微米级别届时就可在微观层面上操作比如用于在病人体内的定向输送药物将生物治疗剂或细胞精确地输送到特定组织。除递送药物之外由于机器人中用的水凝胶具有亲水性所以它和一些生物组织非常接近也就是具备一定软度因此可把它作为一种反应容器。比如要到达人体内一些不好到达的特殊位置就可以让机器人过去。因为它和水有很好的兼容性那就可以把一些化学分子扩散到机器人中来进行反应。而机器人在合成时还可加入一些特定的靶向分子这样就能在机器人上面进行反应。图 | 旋转磁场下的转向运动和路径概括来说该机器人是基于模仿生物的新材料设计它不仅能实现更快的反应还能实现更复杂的功能。除改变形状之外还可给其添加腿部并给予它更多的行走步态和更智能的行为。届时机器人就会具有高度的通用性并能用于不同的任务。理论上该机器人还可以被编程为 “集群” 陈列并去模仿自然界中鸟类、细菌群落或海洋鱼群扩大规模后它们能处理更多任务。例如在伤口缝合时可以设计上百万个 微型机器人让它们执行类似于组织细胞、或组织细菌群的任务。袁航表示该机器人在对外界刺激产生的响应方面依旧非常值得探索。此外材料的几何还很简单未来他们可能会设计出外观更精巧的机器人。此外当机器人系统变得很小的时候周围环境的热涨落、周围流体的粘滞性都是需要考虑的因素。故此袁航和团队还需基于目前材料去产生新的驱动方案届时机器人有望实现更丰富的操控。但无论如何本次研究告别了此前机器人只能单一响应的局限性是少有可实现既有光响应、又有磁场响应的机器人。据袁航表示他本科就读于上海交通大学致远学院物理班该学院专注于基础学科这让他受到了良好的训练。本科毕业后他来到美国西北大学就读应用物理专业 PhD。谈及出国留学袁航说他和当前导师在风格上比较适合在对方指导下他也有机会接触到比较好的课题。而在本次研究中他主要负责理论与模拟部分。另一位共同第一作者李闯是一位 85 后博士毕业于清华大学目前在西北大学 Stupp 组进行博士后研究工作其主要负责材料部分和实验部分。对于该合作袁航表示本次研究属于理论和实验结合得比较好的例子而这在科研中并不容易遇到。
