集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人

近年来,对有机生命体复杂的响应、运动机制的探索促进了软体机器人的研究和发展。相比于传统的硬机器人,由柔性材料、软物质材料组成的软体机器人展现出了连续的身体变形以及复杂的运动模式,同时也为人机交互提供了多样化的、安全的操作界面。然而,目前的研究主要集中在驱动变形、运动模式的操控,所开发的机器人只有有限的或者没有对自身和环境的感知能力,这阻碍了其进一步面向精细人工智能机器人的发展。要赋予小尺寸软体机器人以知觉,其中最大的挑战在于实现一个高度集成的传感、驱动机制。

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人

基于以上研究背景,新加坡国立大学的Ghim Wei Ho教授课题组开发了一种光驱动薄膜机器人,其中厚度不超过115 μm的复合材料薄膜紧凑集成了压阻式应变传感器、热电温度传感器以及光驱动器,同时独立的传感器电极设计使得这个薄膜机器人在持续的运动过程中可以同步地输出身体变形和温度信号,设计机理如图1所示。

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人
图1.复合材料薄膜结构以及集成的压阻式应变传感、热电温度传感以及光驱动机制示意图。

研究人员采用了剪纸技术和3D打印技术,实现了程序化设计复杂多样的二维到三维的驱动变形、定制不同的机器人模型以及选择性地打印电阻传感器电路,机器人模型的尺寸可以小到1cm,如图2所示。

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人
图2.小尺寸剪纸机器人模型。

研究人员进一步设计了三种机器人模型,包括行走机器人、拟人化手模型和不接线的蜈蚣,展示了可定制的软体机器人在不同应用环境下的运动和感知性能。行走机器人可以在光控制下持续前行,并且实时输出自身各种行走步态信号,包括身体的弯曲伸展、步子大小快慢、姿势保持状态以及被障碍物绊到等。此外,通过分析机器人在不同粗糙度基底上行走的时间-电阻变化波形,我们可以得到基底的表面粗糙度信息(图3)。

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图3.行走机器人的步态监测以及路面粗糙度分析。a)机器人在称量纸基底上持续前行动作以及相应的电阻、电压信号;b)行走机器人在过滤纸上时间-电阻变化加速度曲线;c)不同基底的电阻变化加速度均方根值与基底表面粗糙度的关系。

手模型具有真人手的尺寸和比例,每个手指可以独立地弯曲活动,相应的电阻变化信号提供动作信息;当手指接触外界冷热物体时,热电电压随着温度的变化发生震荡;此外,在相同的光驱动条件下,用食指和拇指去捏相同尺寸不同软硬度的物体时,通过食指电阻的变化大小可以很好地区分出几种材料的相对软硬度(如图4所示)。

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人
图4.拟人手模型。a)手模型和光驱动中指弯曲;b)不同手指弯曲、回复的电阻变化;c)食指接触和离开热杯子(60 ℃)和冷杯子(0 ℃)的电压变化;d)食指和拇指在光驱动下捏海绵;e)手指捏不同软硬度材料的电阻变化。

最后,结合近场通讯(NFC)技术,我们尝试去除薄膜机器人的电极接线,实现了不接线的模型蜈蚣向前爬行、转身,并且蜈蚣敏感的触角可以无线感应光照强度、风速以及人的触碰信号,如图5。

集运动、感知功能为一体的光驱动薄膜机器人
图5. 不接线蜈蚣NFC无线传感光照强度、风速以及人的触碰。

以上工作以《Somatosensory, Light-Driven, Thin-Film Robots Capable of Integrated Perception and Motility》为题在线发表在期刊Advanced Materials。论文第一作者为汪晓巧博士,通讯作者为Ghim Wei Ho教授,通讯单位为新加坡国立大学。

全文链接:

https://doi.org/10.1002/adma.202000351

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