技术加速软机器人的热驱动

  • 2021-12-14 17:02:19    生物科学网
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北卡罗来纳州立大学的研究人员提出了一种新的热致动器设计,可用于在软机器人设备中实现快速运动。

“对于软机器人来说,使用热驱动并不是什么新鲜事,但软热驱动的最大挑战是它们相对较慢——而我们已经让它们变得很快,”该论文的通讯作者和 Andrew A. Adams 的 Yong Zhu 说北卡罗来纳州机械与航空航天工程特聘教授。

执行器是设备的一部分——例如软机器人——通过将能量转化为功来产生运动。

“使这种新的执行器设计起作用的是一种具有双稳态设计的结构,”该论文的第一作者和博士生吴双说。北卡罗来纳州立大学的学生。“想想一个按扣的发夹。它是稳定的,直到你施加一定的能量(通过弯曲它),然后它会咬合成不同的形状——这也是稳定的。”

在新的热致动器的情况下,材料是双稳态的,但材料更喜欢哪种形状取决于温度。

这是它的工作原理。研究人员将两种材料叠在一起,中间是银纳米线。这两种材料具有不同的热膨胀系数,这意味着它们在加热时以不同的速率膨胀。实际上,这意味着结构在加热时会弯曲。

然后将这种分层材料塑造成一种设计,使其在一个方向上具有默认曲率 - 假设它向下弯曲。当电压施加到银纳米线时,材料会升温,使其向另一个方向弯曲。一旦达到某个温度——临界温度——材料就会迅速变成新的默认形状,并迅速弯曲。当电压被移除时,温度会回落。一旦冷却超过另一个临界温度,材料就会迅速恢复到其先前的默认形状,并迅速向下弯曲。注意两个临界温度不同;第一个更高。通过以规则模式向纳米线施加电流,您可以使材料来回弹跳。

为了演示该技术,研究人员创建了两个原型。其中一个原型模拟了捕蝇草的捕捉行为,而另一个原型是能够每秒移动超过一个身体长度的“爬行器”。

“潜在的应用范围从生物医学应用到假肢设备再到高端制造,”朱说。“您希望能够快速移动,但又希望避免使用刚性材料和传统机器人的任何应用。”

下一步包括开发传感器和控制机制,使驱动过程更完全自动化,使其比纯手动控制更有效地运行。

“我们也有兴趣探索其他可能的材料,以便我们可以微调热性能和机械性能,”朱说。“这可以让我们定制执行器的速度和力。”

北卡罗来纳州立大学的研究人员提出了一种新的热致动器设计,可用于在软机器人设备中实现快速运动。“对于软机器人来说,使用热驱动并不是什么新鲜事,但软热驱动的最大挑战

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