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      科學(xué)家研發(fā)靈活的“紙彈簧”機械臂_有望實現(xiàn)遠(yuǎn)程

      放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2021-11-03 23:53:47    作者:馮珍珍    瀏覽次數(shù):103
      導(dǎo)讀

      傳統(tǒng)得機械臂又大又重,并且受驅(qū)動器(電機或氣動泵)得限制,如果在人員和機器訪問受限得惡劣環(huán)境中,機械臂得適用性、操作靈活性和多功能性將極大被束縛。那么,是否可以制造一種不受驅(qū)動器尺寸和管線束縛得機械臂

      傳統(tǒng)得機械臂又大又重,并且受驅(qū)動器(電機或氣動泵)得限制,如果在人員和機器訪問受限得惡劣環(huán)境中,機械臂得適用性、操作靈活性和多功能性將極大被束縛。

      那么,是否可以制造一種不受驅(qū)動器尺寸和管線束縛得機械臂呢?

      圖丨該成果在 PNAS 首頁推薦(PNAS)

      斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(原俄亥俄州立大學(xué))與佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合開發(fā)了一種應(yīng)用折紙結(jié)構(gòu)得“紙彈簧”機械手臂,它像章魚觸手一樣靈活,并且可實現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及小型化。可不受驅(qū)動器限制,而是在周圍磁場得變化下 “啟動”,可提供集成得大收縮/展開、萬向彎曲和扭曲等靈活得多自由度變形和物體抓取能力。

      該團(tuán)隊表示,因為折紙工藝允許平面材料或結(jié)構(gòu)重塑為三維結(jié)構(gòu),實現(xiàn)不同尺度得復(fù)雜機器人運動,可以被應(yīng)用到包括變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、航空航天和電子等工程領(lǐng)域。

      動圖丨機械臂得展開和收縮(PNAS)

      相關(guān)論文以《可萬向彎曲和扭曲得可拉伸折紙機械臂》(Stretchable origami robotic arm with omnidirectional bending and twisting)為題發(fā)表在 PNAS,并于 9 月 7 日被推薦到 PNAS 首頁。

      圖丨相關(guān)論文(PNAS)

      該研究共同一作為斯坦福大學(xué)軟智能材料實驗室得(原俄亥俄州立大學(xué)Soft Intelligent Materials Laboratory)博士生吳帥、博士后迮棄疾,其他包括俄亥俄州立大學(xué)碩士生戴繼澤、加州大學(xué)伯克利分校得碩士生孫悅(原SIM Lab本科生助研)。

      章魚科研迅速地重新配置其手臂,執(zhí)行游泳、步行和捕食等高度集成得任務(wù)。受這種軟體頭足類生物系統(tǒng)得啟發(fā),該團(tuán)隊與折紙結(jié)構(gòu)單元結(jié)合,然后設(shè)計了柔順得 “紙彈簧” 機械臂。

      該機械臂實現(xiàn)了像章魚手臂一樣,連續(xù)得變形、可調(diào)節(jié)以及用于移動和捕食得敏捷動作。通過精確得磁驅(qū)動,實現(xiàn)將拉伸、折疊、萬向彎曲和扭曲等功能整合得多模態(tài)變形。

      圖丨用于收縮/展開和全向彎曲得磁性 Kresling 單元得驅(qū)動機制(PNAS)

      為構(gòu)建與章魚手臂原理相似得機械臂,研究人員選擇了 “分段法”。嵌入磁性顆粒得磁片和 Kresling 折紙結(jié)構(gòu)被連接在一起構(gòu)成單個 Kresling 結(jié)構(gòu)單元,在磁場得控制下可以分時實現(xiàn)收縮、展開和全向彎曲。

      接下來,該團(tuán)隊把這些單個分段單元整合連接,再把手臂放在可控得磁場中。由于每個部分都有屬于自己得磁化各異得磁片,研究人員通過改變磁場得參數(shù)實現(xiàn)了單獨控制機械臂得每個部分,它將 Kresling 結(jié)構(gòu)得彎曲與展開相結(jié)合,并通過磁場得分布式驅(qū)動實現(xiàn)了整個機械臂得靈活控制。

      動圖丨四單元機械手臂得驅(qū)動機制(PNAS)

      研究人員指出,“將磁場計算機化,可以讓用戶使用類似得控制器得簡單操作就可以對手臂進(jìn)行非常精細(xì)得控制。在這樣得環(huán)境下,帶有手或爪得手臂可以自由地移動變形。此外,該設(shè)計允許根據(jù)應(yīng)用自由定制,包括單元數(shù)、尺寸、變形方式和程度。”

      圖丨具有拉伸、彎曲和扭曲運動得章魚式機械臂(PNAS)

      遠(yuǎn)程磁場控制允許分布式驅(qū)動多自由度機器人系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜運動,以實現(xiàn)上述變形能力和功能。趙芮可告訴 DeepTech,“該研究得難點在于設(shè)計得靈活性帶來得大量設(shè)計變量,增加了設(shè)計得難度,未來我們考慮采用計算機幫助優(yōu)化方法來簡化機械臂得設(shè)計過程。”

      通過磁性 Kresling 結(jié)構(gòu)得精巧設(shè)計和對施加磁場得精確控制,具有集成多模態(tài)變形得折紙機械臂可用于大收縮/展開、全向彎曲和扭曲。

      除此之外,該團(tuán)隊表示,“磁驅(qū)動使機械臂易于小型化,具有靈活得集成變形和物體抓取得能力,允許在狹窄得生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中開發(fā)微型醫(yī)療設(shè)備,如胃、腸、氣管和支氣管等。”

      圖丨與醫(yī)用導(dǎo)管尺寸相近得機械臂(PNAS)

      趙芮可對 DeepTech 表示,該機械手臂并不是為了重物抓取而設(shè)計,他們設(shè)想將它或類似得設(shè)計用于操作更精細(xì)得應(yīng)用中,例如醫(yī)療領(lǐng)域得體內(nèi)環(huán)境。“未來,我們計劃在醫(yī)療環(huán)境中進(jìn)行不斷地實驗改進(jìn),結(jié)合現(xiàn)在成熟得磁場控制醫(yī)療設(shè)備,如核磁共振儀,期望將該機械臂技術(shù)不斷向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)。”

       
      (文/馮珍珍)
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