受生物系統(tǒng)啟發(fā)的軟機器人具有卓越的靈活性、適應(yīng)性和安全性，在搜索救援、野外探索、人機交互和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面顯示出巨大潛力。軟材料和結(jié)構(gòu)在理論上能賦予傳統(tǒng)剛性機器人難以企及的無限自由度和靈活性，然而實際實施中受限于驅(qū)動機理和結(jié)構(gòu)設(shè)計，更豐富的變形和更靈巧的運動不可避免地需求更多數(shù)量的軟驅(qū)動器和龐大復(fù)雜的控制系統(tǒng)。盡管科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出了流體驅(qū)動、電驅(qū)動、磁驅(qū)動、光驅(qū)動等多種多樣的軟驅(qū)動器，但它們在軟體機器人系統(tǒng)中的集成水平和驅(qū)動能力仍然與生物系統(tǒng)相去甚遠。

近日，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院張文明教授課團隊提出了一種自矢量電磁軟體機器人的新概念，構(gòu)筑了完整的基于內(nèi)嵌微流道彈性體和可重構(gòu)液態(tài)金屬線圈的軟電磁驅(qū)動器實施方案，發(fā)展了基于洛倫茲力和矢量合成原理的高維度驅(qū)控的新方法，實現(xiàn)了軟電磁機器人中任意子域模塊的即時主動和可選擇性調(diào)控，解決了通過有限數(shù)量驅(qū)動器實現(xiàn)軟體機器人的高效可重編程高維變形和多模式運動及轉(zhuǎn)換的難題，為開發(fā)媲美自然界生物體的高靈活度和高集成度的軟體機器人系統(tǒng)提供了更多可能性。

主動自矢量軟體電磁驅(qū)動模塊設(shè)計和靜磁場下的自矢量高維驅(qū)控原理

該工作以“Self-vectoring electromagnetic soft robots with high operational dimensionality”為題發(fā)表于Nature Communications期刊。同濟大學(xué)李汶柏研究員是第一作者和共同通訊作者，上海交通大學(xué)博士生陳虎越是共同第一作者，上海交通大學(xué)機械與動力工程學(xué)院張文明教授和密西根學(xué)院邵磊教授是共同通訊作者。

該“自矢量軟體機器人”利用嵌入的液態(tài)金屬制造出可重構(gòu)的兩類典型的軟電磁線圈，即具有垂直電磁矢量的平面螺旋線圈和具有水平電磁矢量的三維可重構(gòu)螺線管線圈，通過提出的不同重構(gòu)策略將兩類基本模塊的復(fù)合疊加實現(xiàn)了三維空間內(nèi)任意方向的矢量合成。模塊化的“自矢量機器人”通過簡單的電流控制即可實現(xiàn)即時高效的可重新編程、獨立的子域驅(qū)動和全方向的矢量操控，通過最少數(shù)量的驅(qū)動器展示了更高維度的變形和運動。“自矢量”策略將為人機交互、醫(yī)療應(yīng)用、主動超材料等領(lǐng)域帶來新的啟發(fā)。

“自矢量”策略賦能的即時可重新編程變形

“自矢量”策略操控的水陸兩棲多模式運動

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41467-023-35848-y

審核編輯 ：李倩