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无线磁场和执行器“肌肉”使折叠机器人无需电池即可移动
2021年01月08日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

日本的传统折纸艺术通过非常特殊的折痕,折痕和卷边图案,将一张简单的纸转变成复杂的三维形状。


基于该原理的折叠式机器人已成为机器人设计的一个令人兴奋的新领域,但通常需要板载电池或电源的有线连接,这使其比纸张设计的体积更大,笨拙,并且限制了其功能。


Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学约翰·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员创造了无电池折叠机器人,该机器人能够通过复杂的,可重复的动作来驱动和控制无线磁场中国机器人网vrovro.com


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合著者Je-sung Koh博士说:“就像折纸一样,设计的主要要点就是简单性”,他是Wyss研究所和SEAS的博士后研究员,目前是该系的助理教授在韩国的Ajou大学就读。“该系统仅需要机器人上的基本,无源电子组件即可提供电流-机器人本身的结构将负责其余部分。”


这项研究报道在《科学机器人》上。


研究团队的机器人是扁平且薄的(类似于其所基于的纸张)塑料四面体,三个外部三角形通过铰链连接到中心三角形,并且在中心三角形上有一条小电路。


连接到铰链的是一种由称为形状记忆合金(SMA)的金属制成的线圈,可以通过加热到一定温度使其变形后恢复其原始形状。


当机器人的铰链平放时,SMA线圈以其“变形”状态伸出。当电流通过电路并且线圈发热时,它们会弹回其原始的松弛状态,像微小的肌肉一样收缩,并将机器人的外部三角形向中心折叠。当电流停止时,


凭借折纸启发的褶皱图案和无线电磁场,磁性折叠机械臂可以抓握和弯曲。


产生机器人运动所需电流的电力是通过电磁功率传输无线传递的,这与无线充电板内部的相同技术相同,可以为手机和其他小型电子设备中的电池充电。


具有自身电源的外部线圈会产生磁场,该磁场会在机器人的电路中感应出电流,从而加热SMA线圈并引起折叠。


为了控制哪些线圈收缩,研究小组在每个线圈单元中内置了一个谐振器,并对其进行了调整,使其仅对非常特定的电磁频率做出响应。通过改变外部磁场的频率,它们能够促使每个SMA线圈彼此独立地收缩。

 

主要作者穆斯塔法·博伊瓦特(Mustafa Boyvat)博士解释说:“我们的机器人不仅可以重复进行折叠动作,而且可以控制它们发生的时间和地点,从而可以进行更复杂的动作。”他也是威斯学院和SEAS的博士后研究员。


就像人体的肌肉一样,SMA线圈只能收缩和放松:机器人身体的结构-折纸“关节”-将这些收缩转化为特定的运动。为了展示这种能力,该团队构建了一个小型机械臂,该机械臂能够向左和向右弯曲,并且可以打开和关闭围绕物体的抓具。


手臂构造有特殊的折纸状图案,以使其在施加力时能够弯曲,激活时,两个SMA线圈传递该力,而第三个线圈将抓具打开。通过改变外部线圈产生的磁场的频率,该团队能够独立控制机器人的弯曲和抓握运动。


这款微型四面体折纸机器人无需电池即可运行,可以选择性地沿着三个关节折叠,每个关节彼此独立。关节也可以同时折叠。


这种极简主义的机器人技术有很多应用。例如,患者不必让不舒服的内窥镜放下喉咙来协助医生进行手术,而是可以吞下一个微型机器人,该机器人可以四处走动并执行简单的任务,例如握住组织或拍摄,由线圈外面的线圈供电身体。


使用更大的源线圈-直径约为数码-可以在整个家庭中的多个“智能”物体之间实现无线,无电池通信。该团队建造了各种各样的机器人,从四分之一大小的扁平四面体机器人到用折叠纸制成的手动大小的船用机器人,证明了他们的技术可以适应各种电路设计,并成功地扩展了各种规模的设备。“仍有小型化的空间。我们不


这款微型四面体折纸机器人无需电池即可运行,可以选择性地沿着三个关节折叠,每个关节彼此独立。关节也可以同时折叠。


“当人们制造微型机器人时,总是会问这个问题:'你怎么能在这么小的机器人上装电池呢?' 这项技术可以通过转动它的头来很好地回答该问题:您不需要在上面放电池,就可以用不同的方式为其供电。”


通讯作者罗伯·伍德(Rob Wood)博士说。 Wyss研究所的核心教员,共同领导其生物启发式机器人平台和SEAS的Charles River工程与应用科学教授。


Wyss创办人说:“当今的医疗设备通常受到为其供电的电池大小的限制,而这些远程供电的折纸机器人则可以突破这种大小障碍,并有可能在未来为医学和外科手术提供全新的,微创的方法。”


主任唐纳德·英格伯(Donald Ingber),他还是哈佛医学院的犹大福克曼大学血管生物学教授和波士顿儿童医院的血管生物学计划教授,以及哈佛大学工程与应用科学学院生物工程学教授。


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