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| 本文作者： 付靜 | 2020-09-25 18:18 |
自然界中，鮮花隨風(fēng)飄動(dòng)。
實(shí)驗(yàn)室里，科學(xué)家們也做出了類似效果。
不過(guò)，「會(huì)動(dòng)的花瓣」背后的驅(qū)動(dòng)力不是風(fēng)，而是磁場(chǎng)。按照這一思路，由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的可編程軟體機(jī)器人也被設(shè)計(jì)了出來(lái)。
這一機(jī)器人背后的團(tuán)隊(duì)是一組來(lái)自馬克斯 · 普朗克智能系統(tǒng)研究所物理智能部門、卡耐基梅隆大學(xué)機(jī)械工程系、土耳其科克大學(xué)醫(yī)學(xué)院及工程學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院生物醫(yī)學(xué)工程研究所的研究人員。
2020 年 9 月 18 日，該團(tuán)隊(duì)的研究成果正式發(fā)表于頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》子刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances），題為 Reprogrammable shape morphing of magnetic soft machines（磁動(dòng)力軟體機(jī)器人的可編程形變）。
軟體機(jī)器人正在進(jìn)入大眾視野。
香港科技大學(xué)機(jī)器人研究院院長(zhǎng)王煜曾在 2018 世界機(jī)器人大會(huì)上表示，從最基本的角度來(lái)看，軟體機(jī)器人主要存在三大問(wèn)題——如何定義軟體機(jī)器人系統(tǒng)、如何設(shè)計(jì)/控制軟體機(jī)器人系統(tǒng)、制造軟體機(jī)器人系統(tǒng)的材料問(wèn)題。
對(duì)于第二大問(wèn)題，王煜教授認(rèn)為：
我們不可能用鉸鏈和傳感來(lái)解決如何從軟體機(jī)器人當(dāng)中產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，以及更復(fù)雜地怎么控制運(yùn)動(dòng)。控制便成了非常麻煩的事情，因?yàn)橛袩o(wú)窮多的自由度，要看怎么驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人系統(tǒng)，最終怎么做到很好的控制。
也就是說(shuō)，對(duì)于軟體機(jī)器人來(lái)說(shuō)，驅(qū)動(dòng)方式是重要一環(huán)。
其實(shí)，軟體機(jī)器人的發(fā)展離不開(kāi)包括材料學(xué)、機(jī)器人學(xué)、生物力學(xué)、傳感與控制在內(nèi)的多學(xué)科進(jìn)步，隨著相關(guān)學(xué)科近年來(lái)的迅速發(fā)展，各種不同驅(qū)動(dòng)方式的軟體機(jī)器人開(kāi)始涌現(xiàn)。
比如氣體驅(qū)動(dòng)——機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議 ICRA 2017 上，加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室公布了一款 3D 打印的軟體四足機(jī)器人，這一機(jī)器人靠氣體驅(qū)動(dòng)，它的每條腿都由 3 條可伸縮的充氣橡皮管制造而成。
再比如光源驅(qū)動(dòng)——2016 年，波蘭華沙大學(xué)物理學(xué)院的研究人員設(shè)計(jì)了一款由液晶彈性體制成的軟體機(jī)器人，暴露在可見(jiàn)光下時(shí)會(huì)發(fā)生形變，身體也會(huì)相應(yīng)進(jìn)行移動(dòng)。
甚至是自我驅(qū)動(dòng)——還是在 2016 年， 哈佛維斯生物工程研究所制造出了世界上第一個(gè)完全軟體的自我驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，據(jù)說(shuō)可以獨(dú)立運(yùn)行 4-8 分鐘。當(dāng)時(shí)這只「小章魚」還登上了《自然》雜志。
那么，前文所說(shuō)的受到磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人有先例嗎？當(dāng)然有。
同樣是在 2016 年，美國(guó)科學(xué)家受魚的啟發(fā)，研發(fā)出一款「納米魚機(jī)器人」，其應(yīng)用場(chǎng)景正是在人體內(nèi)輸送藥物。這條小魚受磁驅(qū)動(dòng)，游泳的速度和方向由磁場(chǎng)的方向和力量決定。
問(wèn)題來(lái)了：時(shí)隔四年，磁驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人系統(tǒng)有了怎樣的革新？
二氧化鉻微粒的高通量磁編程
首先要明確的是，科學(xué)家們將這一機(jī)器人稱為「由磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的可編程軟體機(jī)器人」，也就是說(shuō)，這一機(jī)器人的突破就在于「可編程」。
科學(xué)家們表示，雖然磁驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人已經(jīng)應(yīng)用到了微創(chuàng)醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域，但機(jī)器人內(nèi)部的磁場(chǎng)分布都是按照預(yù)先設(shè)定好的模式進(jìn)行制造的，無(wú)法重復(fù)編程。
用科學(xué)家們的話說(shuō)就是：
目前的磁編程方法內(nèi)在地耦合到了順序制造過(guò)程，阻止了可重編程和吞吐量編程。
基于此，團(tuán)隊(duì)的策略是熱輔助磁編程。
第一步是，通過(guò)激光局部加熱磁性軟材料，直至溫度高于嵌入軟體機(jī)器人系統(tǒng)中的二氧化鉻 10 微米大小微粒的居里溫度。
居里溫度也叫居里點(diǎn)（Curie point），19 世紀(jì)末由皮埃爾·居里提出。它是指磁性材料中自發(fā)磁化強(qiáng)度降到零時(shí)的溫度：
溫度低于居里點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)成為鐵磁體，和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很難改變；
溫度高于居里點(diǎn)時(shí)，物質(zhì)成為順磁體，和材料有關(guān)的磁場(chǎng)很容易隨周圍磁場(chǎng)的改變而改變。
所以科學(xué)家們第一步要做的就是將嵌入軟體機(jī)器人系統(tǒng)中永鐵磁顆粒加熱成為順磁體，其磁場(chǎng)就能受外界影響。
【居里夫人的丈夫皮埃爾·居里】
第二步是，在冷卻過(guò)程中施加磁場(chǎng)，重新定向嵌入軟體機(jī)器人系統(tǒng)中永鐵磁顆粒的磁疇。
這里需要解釋一下什么是磁疇（Magnetic Domain）。
我們都知道，分子、原子可以構(gòu)成物質(zhì)材料的基元（構(gòu)成生物體的大分子上的局部區(qū)域），基元中電子繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)就能形成電流，電流又可以產(chǎn)生磁場(chǎng)。
因此，每個(gè)基元都相當(dāng)于一個(gè)很小的磁體，而大量基元就組成一個(gè)更大的結(jié)構(gòu)，如果結(jié)構(gòu)中所有基元都會(huì)產(chǎn)生同方向的磁場(chǎng)，那么這個(gè)結(jié)構(gòu)就叫做磁疇。
按照上述策略，科學(xué)家們展示了高空間分辨率（~38 μm）的離散、三維和可重編程磁化。
上圖 A 部分正是上述兩步操作的示意圖。
B 部分展示的則是，加熱到二氧化鉻粒子的居里溫度（118℃）用了 1.7s，冷卻到居里溫度的一半用時(shí) 4s。C 部分顯示，熱輔助磁化達(dá)到 90%。
那么，這樣的策略成效如何呢？
論文介紹，團(tuán)隊(duì)利用可編程磁化，成功改變了軟體機(jī)器人內(nèi)部的磁場(chǎng)分布。由此，輔助超材料結(jié)構(gòu)的機(jī)械行為可得到重構(gòu)，行走軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)可得到調(diào)節(jié)，軟夾也能實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)抓取。
如下圖所示，一組具有不同三維磁化曲線的結(jié)構(gòu)，在磁場(chǎng)的作用下可以轉(zhuǎn)換成復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)。
另外，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)三維磁化的“火柴人”結(jié)構(gòu)。可以看到，不管是它的身體、肩膀、手臂還是頭部，在磁場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下，“火柴人”經(jīng)歷著復(fù)雜的三維形變。
研究團(tuán)隊(duì)也通過(guò)磁化設(shè)計(jì)了一種可重編程的自適應(yīng)軟夾。
不僅如此，科學(xué)家們還利用磁場(chǎng)分布轉(zhuǎn)移制作出了智慧女神雅典娜的頭像。
總的來(lái)說(shuō)，這一策略實(shí)現(xiàn)了 38 微米級(jí)別的高通量磁編程（速度高達(dá) 10 個(gè)復(fù)刻樣品/分鐘），也為開(kāi)發(fā)多尺度、再編程的軟體機(jī)器人提供了豐富的設(shè)計(jì)空間和大規(guī)模的制造潛力。
引用來(lái)源：
https://advances.sciencemag.org/content/advances/6/38/eabc6414.full.pdf
動(dòng)圖截自：
https://www.bilibili.com/video/BV13J411E7Jo?from=search&seid=15234739728215685113
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