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MIT工程师设计透明,基于凝胶的机器人

返回列表发布时间:2018-05-16

em来自麻省理工学院的一个工程师团队已经开发出透明的基于凝胶的机器人,可能有一天会协助外科手术并逃避水下检测。 / em

麻省理工学院的工程师制造了透明的凝胶机器人,当水被泵入和泵出时,机器人会移动。机器人可以执行许多快速,有力的任务,包括在水下踢球,抓住并释放活鱼。

机器人完全由水凝胶制成 - 一种坚硬,橡胶状,几乎透明的材料,主要由水组成。每个机器人都是空心的,精确设计的水凝胶结构组合,连接到橡胶管。当研究人员将水抽入水凝胶机器人时,结构会迅速膨胀,使机器人可以卷曲或伸展。

该团队设计了几种水凝胶机器人,包括前后襟翼的鳍状结构,一个可以踢脚的运动的铰接附肢,以及一个可以挤压和放松的柔软的手形机器人。

由于机器人都是由水驱动并几乎完全由水制成的,因此它们具有与水相似的视觉和声学特性。研究人员提出,如果设计用于水下应用,这些机器人可能几乎看不见。


em麻省理工学院的工程师制作了透明凝胶机器人,可以执行许多快速,有力的任务,包括在水下踢球,抓住并释放活鱼 / em

该组织由麻省理工学院机械工程与民用与环境工程系副教授赵萱鹤和研究生Hyunwoo Yuk领导,目前正在寻找水凝胶机器人用于医疗应用。

“水凝胶柔软,湿润,生物相容性好,可以与人体器官形成更友好的界面,”赵说。 “我们正在积极与医疗团体合作,将此系统转化为柔性操作器,如水凝胶”手“,这可能会对手术操作中的组织和器官进行更温和的操作。”

Zhao和Yuk本周在“Nature Communications / em”杂志上发表了他们的结果。他们的合着者包括麻省理工学院研究生Shaoting Lin和Chu Ma,博士后Mahdi Takaffoli以及机械工程学副教授Nicholas X. Fang。

机器人食谱

在过去的五年中,Zhao的团队一直在开发水凝胶的“配方”,将聚合物和水的溶液混合在一起,并使用他们发明的技术来制造坚韧而又高度拉伸的材料。他们还开发了将这些水凝胶粘合到各种表面(如玻璃,金属,陶瓷和橡胶)上的方法,从而产生极其强大的粘合力,抵抗剥落。

该团队意识到这种耐用,柔韧,牢固可结合的水凝胶可能是用于软机器人的理想材料。许多团队已经使用有机硅等橡胶设计软机器人,但赵指出,这种材料不像水凝胶那样具有生物相容性。由于水凝胶主要由水组成,他说,它们在生物医学环境中使用自然更安全。虽然其他人试图用水凝胶塑造机器人,但他们的解决方案已经导致了易碎和相对不灵活的材料,这些材料会在重复使用时破裂或破裂。

相比之下,赵的小组发现它的配方很适合软机器人。

“我们最初并没有想到这种[软机器人]项目,但意识到,也许我们的专业知识对于将这些果冻转换为强大的致动器和机器人结构至关重要,”Yuk说。

快速而有力

为了将他们的水凝胶材料应用于软机器人,研究人员首先研究了动物世界。它们主要集中在leptocephali或玻璃鳗鱼 - 小而透明的水凝胶状鳗鱼幼虫,它们在海里孵化并最终迁移到它们的天然河流栖息地。

“这是非常长的旅行,并且没有保护手段,”Yuk说。 “他们似乎试图演变成一种透明的形式,作为一种高效的伪装手段。我们希望达到类似的透明度,力量和速度。“

为此,Yuk和Zhao使用3D打印和激光切割技术将他们的水凝胶配方打印到机器人结构和其他空心单元中,然后将它们粘合到连接到外部泵的小型橡胶管上。

为了致动或移动结构,该团队使用注射泵将水注入中空结构,使其能够快速卷曲或拉伸,这取决于机器人的整体结构。

Yuk和Zhao发现,通过抽水,他们可以产生快速,有力的反应,使水凝胶机器人能够在一秒内产生几牛顿的力。为了透视,其他研究人员通过简单渗透激活了类似的水凝胶机器人,让水自然渗入结构 - 这是一个缓慢的过程,可以在数分钟或数小时内产生毫牛顿力。

捕捉和释放

在使用多种水凝胶机器人设计的实验中,该团队发现该结构能够承受多达1,000次循环的重复使用而不会破裂或撕裂。他们还发现,每个设计都放置在水下,背景色彩几乎完全被伪装。该小组测量了水凝胶机器人的声学和光学特性,发现它们与水的几乎相同,不像橡胶和其他软体机器人中常用的材料。

在该技术的一次引人注目的演示中,该团队制作了一个手持式机器人手爪,并将水从其“手指”中抽出,以使手部打开和关闭。研究人员将抓手淹没在一个带有金鱼的坦克中,并且显示,当鱼游过去时,抓手坚固而快速,足以在鱼周围关闭。

“[机器人]几乎是透明的,很难看到,”赵说。 “当你释放鱼时,它非常高兴,因为[机器人]柔软并且不会损伤鱼。想象一下,一个坚硬的机器人手可能会压扁鱼。“

接下来,研究人员计划确定水凝胶机器人的具体应用,并根据特定用途调整其配方。例如,医疗应用可能不需要完全透明的结构,而其他应用可能需要机器人的某些部分比其他应用更硬。

“我们希望找出一个现实的应用并优化材料以实现有影响力的事情,”Yuk说。 “据我们所知,这是水凝胶基于压力的激励的第一次演示。我们现在把这个概念作为一个悬而未决的问题扔出去,说'让我们玩这个吧'。“

这项研究部分得到了海军研究办公室,麻省理工学院士兵纳米技术研究所和国家科学基金会的支持。

出版物:Hyunwoo Yuk等人,“在水中光学和声波伪装的液压水凝胶致动器和机器人”,Nature Communications 8,文章编号:14230(2017); DOI:10.1038 / ncomms14230

资料来源:麻省理工学院新闻社Jennifer Chu

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