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【原创】新型智能材料让机器人摆脱形状束缚

原创|工业机器人之家|2017-12-26 15:20

新的材料机器人技术本身就具有智能设计,它可以将机器人的计算能力扩展到其机械结构的每一部分。

想象一下机器人摆脱了僵硬的外壳限制,看起来不再是机械臂或者外骨骼机器人,那么它的形状会是什么样子?它将如何运作?它能实现什么?研究人员YiğitMengüç、Nikolaus Correll、Rebecca Kramer 和 Jamie Paik提出了以上问题。最近他们在《科学机器人》杂志上发表了论文《未来的机器人是大脑控制身体还是身体控制大脑?》,并在论文中试图去回答这些问题。他们认为,机器人不仅是运行代码和软件,通过机械外壳与外界实现交互的机器,而是任何可以内置智能信息的物质。

【原创】新型智能材料让机器人摆脱形状束缚

章鱼机器人(Octobot)是软体机器人的一个例子,它通过转化氧化氢为燃料,自主地进行移动(图片由Engadget 提供)

新型机器人用智能材料的研究内容主要包括:研发新的复合材料或集成能实现传感、驱动、计算和通信功能为一体的复合材料,这些复合材料可以独立于中央处理单元进行自主操作。这个领域的研究人员从大自然中获得灵感,并收集研究了部分动物具备特殊的能力的身体部位,如乌贼的伪装能力、鸟在飞行中翅膀变形或是榕树在地上以生根的方式支撑新枝干等,并将这些设计灵感用于智能材料研究。在论文中,作者揭示了“智能材料可以处理行动中的挑战,并对不断变化的环境作出相应的反应。”的原因。

俄勒冈州立大学的助理教授Mengüç 表示,机器人用智能材料的出现让任何一种材料都可以成为制造机器人的原材料。他说:“在未来,我们希望能够实现机器人的物质化,就像机器人本身被整合到日常物体中一样。”

这种智能材料的应用领域将会非常广泛,例如,可以将智能材料合成技术应用到鞋子的橡胶中,通过内置传感器来感受人走路的步伐,当人在跑步或行走时,传感器可以根据脚面或双脚的生物力学特征改变橡胶硬度。这是用简单的材料系统构建复杂功能的一个典型例子。

【原创】新型智能材料让机器人摆脱形状束缚

图片所示的可生物降解的气动制动机器人手指由明胶和水制成(图片由EPFL提供)

目前只有两种方法被用来制造这种复杂的复合材料:一种是通过相关技术合成新的复合智能材料;另一种是将不同材料成分进行系统整合,形成新的智能复合材料。材料学家们正在开发一种具有机器人应用所需的多功能性的复合材料,与此同时,机器人专家们也正在研制一种成分紧密集成的新材料系统。

将分布式传感器和执行器直接嵌入新型智能材料可以让智能材料具备相关计算能力,同时也降低了中央处理系统对信息和计算的严格要求。具备分布式感测能力的智能材料能够传送大量的控制信息和反馈数据。

智能材料的发展也会进一步促进机器人的多元化发展。

使用生物相容的导体或可生物降解的弹性体来制备机器人用智能材料,对于该类智能材料的发展具有非常重要的意义。

【原创】新型智能材料让机器人摆脱形状束缚

通过3D叠层打印技术制造出来的形似章鱼的柔性机器人原型,集成系统使能够自由灵活地移动(图片由美国科学家 YigitMengüç 提供)

测试实例:由Mengüç和他的同事研发的章鱼柔性机器人。章鱼是柔性机器人最为理想的模仿对象,因为章鱼的肌肉是理想的驱动器,它的肌肉组织是一个精巧的转换器,能将能量直接转化为机械运动并且能够自组装和自我修复。

章鱼软体机器人用液体对两个互相接触的微通道充气阀门进行加压和控制,按照膨胀的顺序,第一个通道的膨胀导致第二个通道压缩关闭,两次加压之间的延迟导致章鱼机器人手臂做出抬起放下的动作。这种柔性机器人的问世为未来机器人变得更加强大灵活带来了新希望。

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