軟體機(jī)器人平臺用于復(fù)雜生物運(yùn)動的解耦和重編程

由于自然界中生命的演變，生物往往表現(xiàn)出對復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性，例如超快運(yùn)動、偽.裝和群體合作。生物運(yùn)動的研究對仿生機(jī)器人以及醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建等工程領(lǐng)域具有重要啟示作用。基于此，人們致力于開發(fā)新的仿真工具、物理模型和實驗平臺來模擬和研究這些自然運(yùn)動模式。然而，許多不同尺度的生物表現(xiàn)出非常復(fù)雜的運(yùn)動步態(tài)，例如多種基本運(yùn)動的耦合。這些步態(tài)難以用現(xiàn)有的軟體機(jī)器人平臺模擬，而且這些平臺通常缺乏解耦復(fù)雜生物行為的策略，使得理解生物運(yùn)動的機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。 近日，香港中文大學(xué)張立教授課題組聯(lián)合北京計算科學(xué)研究中心丁陽教授課題組以及美國卡耐基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機(jī)器人平臺用于重建和解耦復(fù)雜生物運(yùn)動。該磁性軟體機(jī)器人可以通過模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節(jié)肢型的水凝膠磁性機(jī)器人，機(jī)器人身體由磁性段（由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成）和非磁性段（由聚丙烯酰胺水凝膠制成）組成。機(jī)器人的尺寸為長度5 mm、長寬比11:1。采用時變磁場來誘導(dǎo)軟體機(jī)器人的敏捷運(yùn)動。通過該軟體機(jī)器人平臺以及可編程的磁場輸入，該研究團(tuán)隊可以重建出搖蚊的幼蟲所啟發(fā)的運(yùn)動步態(tài)并對這類型的生物運(yùn)動步態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的解耦研究。相關(guān)研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》。 

通過構(gòu)建的磁性軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該研究團(tuán)隊揭示了機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)的相互耦合在其推進(jìn)中起著關(guān)鍵作用，以這種仿生推進(jìn)方式游動可以誘導(dǎo)與自然生物一致的流場結(jié)構(gòu)，并在中等雷諾數(shù)狀態(tài)下實現(xiàn)優(yōu)異的運(yùn)動性能。此外，磁性軟體機(jī)器人能夠在流動的環(huán)境中逆流而行，通過切換其運(yùn)動模式來適應(yīng)三維環(huán)境，以及實現(xiàn)其他功能，包括越障能力和在狹窄空間中的運(yùn)動能力。與通過磁場梯度直接將機(jī)器人驅(qū)動到指.定位置的磁力控制策略相比，軟體機(jī)器人可以靈巧地控制其變形和運(yùn)動模式。 總結(jié)而言，這項工作提供了一個磁性軟體機(jī)器人平臺，使其能夠?qū)o脊椎動物的復(fù)雜運(yùn)動進(jìn)行解耦和重新編程，并掌握它們的基本機(jī)制。這也為設(shè)計具有復(fù)雜耦合步態(tài)的游動軟機(jī)器人提供了新的思路。

圖1. 軟體機(jī)器人的磁場控制和運(yùn)動分析。（A）機(jī)器人的模板輔助磁化方式；（B）沿著機(jī)器人中心線的磁通密度分布；（C）軟體機(jī)器人在不同靜態(tài)磁場下的變形和轉(zhuǎn)向；（D）用于控制軟體機(jī)器人的動態(tài)磁場；（E）軟體機(jī)器人在一個周期內(nèi)的運(yùn)動序列。
 

圖2. 軟體機(jī)器人的流場動力學(xué)模擬和流場可視化分析。（A）在一個周期內(nèi)軟體機(jī)器人的瞬時速度；（B）軟體機(jī)器人質(zhì)心軌跡的實驗和模擬結(jié)果；（C）在一個運(yùn)動周期內(nèi)施加到機(jī)器人身體上的凈流體力；（D）流場結(jié)構(gòu)的可視化。

圖3. 軟體機(jī)器人平臺用于解耦復(fù)雜生物運(yùn)動。（A）機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)之間的相位差對運(yùn)動性能的影響；（B）機(jī)器人身體的轉(zhuǎn)動角度對運(yùn)動性能的影響；（C）磁場強(qiáng)度對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響；（D）磁場頻率f2/f1 對機(jī)器人運(yùn)動性能和前進(jìn)速度的影響；（E）磁場頻率feq對機(jī)器人運(yùn)動性能的影響。（F）機(jī)器人運(yùn)動方向和磁場方向角的關(guān)系。

圖4. 軟體機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動。（A）機(jī)器人沿著五角星軌跡的可控運(yùn)動；（B）機(jī)器人在動態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動；（C）機(jī)器人的三維游動和避障行為；（D）機(jī)器人在狹窄空間內(nèi)運(yùn)動；（E）機(jī)器人通過多種模式運(yùn)動探索三維空間。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202109126