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折叠机器人:没有电池 没有电线

发布时间:2019-01-29 14:14:39 来源:

传统的日本折纸艺术通过非常特殊的折叠,折痕和卷曲图案将简单的纸张转换为复杂的三维形状。基于该原理的折叠机器人已成为机器人设计的令人兴奋的新前沿,但通常需要板载电池或有线连接到电源,使得它们比纸张灵感更笨重和笨重,并限制其功能。Wyss生物启发工程研究所和哈佛大学John A. Paulson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,能够通过一个动力和控制的复杂,可重复的运动。无线磁场。“就像折纸一样,我们设计的要点之一就是简约,” 共同作者Je-sung Koh博士说,他曾在Wyss Institute和SEAS担任博士后研究员,现在是韩国Ajou大学的助理教授。“该系统只需要机器人上的基本无源电子元件来传递电流 - 机器人本身的结构可以完成剩下的工作。” 该研究报告在科学机器人。

研究小组的机器人扁平而薄(类似于它们所基于的纸张)塑料四面体,三个外三角形通过铰链连接到中心三角形,中央三角形上有一个小电路。连接到铰链的是由称为形状记忆合金(SMA)的一种金属制成的线圈,其可以通过加热到一定温度而在变形后恢复其原始形状。当机器人的铰链平放时,SMA线圈在“变形”状态下伸展; 当电流通过电路并且线圈升温时,它们会恢复到原来的松弛状态,像微小的肌肉一样收缩,并将机器人的外三角形向中心折叠。当电流停止时,

利用电磁传输无线传输产生机器人运动所需电流的功率,无线充电垫内的相同技术可为手机和其他小型电子设备中的电池充电。具有其自身电源的外部线圈产生磁场,该磁场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,该团队在每个线圈单元中构建了一个谐振器,并对其进行调谐以仅响应非常特定的电磁频率。通过改变外部磁场的频率,它们能够诱导每个SMA线圈独立于其他线圈收缩。

“我们的机器人折叠动作不仅可以重复,我们可以控制它们发生的时间和地点,从而实现更复杂的动作,”主要作者Mustafa Boyvat博士解释说,他也是Wyss Institute和SEAS的博士后研究员。

就像人体肌肉一样,SMA线圈只能收缩和松弛:它是机器人身体的结构 - 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,该团队建造了一个能够向左和向右弯曲的小型机械臂,以及打开和关闭物体周围的抓手。该臂采用特殊的折纸状图案构造,允许其在施加力时弯曲,两个SMA线圈在激活时传递该力,而第三个线圈拉动夹具打开。通过改变外部线圈产生的磁场频率,该团队能够独立控制机器人的弯曲和夹持运动。

这种极简主义机器人技术有很多应用; 例如,患者可能只是吞下一个可以四处移动并执行简单任务的微型机器人,而不是让一个不舒服的内窥镜放下喉咙来帮助医生进行手术,而不是拿着组织或拍摄,由他们外面的线圈驱动身体。使用更大的源线圈 - 直径为码 - 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。该团队制造了各种机器人 - 从四分之一大小的平面四面体机器人到由折叠纸制成的手动大小的船舶机器人 - 表明他们的技术可以适应各种电路设计,并成功扩展到大小型设备。“仍然存在小型化的空间。我们不知道

“当人们制造微型机器人时,总是会问:'你怎么能把电池放在一个小型的机器人上?' 这项技术通过改变问题为这个问题提供了一个很好的答案:你不需要在它上面放一个电池,你可以用不同的方式给它供电,“相应的作者Rob Wood博士说道。 Wyss Institute的核心教员,共同领导其Bioinspired机器人平台和SEAS的Charles River工程与应用科学教授。

“今天的医疗设备通常受到为其供电的电池尺寸的限制,而这些远程驱动的折纸机器人可以突破这一尺寸障碍,并可能在未来为医学和外科手术提供全新的微创方法,”Wyss Founding说。导演Donald Ingber,同时也是哈佛医学院血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及哈佛大学工程与应用科学学院的生物工程教授。

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