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北京大学工学院刘珂课题组在软体机器人驱动器设计与开发上取得系列进展

仪表网 2024-06-04
         人工肌肉是模仿动物肌肉功能的新型驱动器,多用于软体/柔性机器人,对未来更具人机亲和力的仿生机器人的开发具有重要意义。在众多人造材料中,液晶弹性体(LCE)具有与天然肌肉相似的可逆线性驱动应变能力。最近的研究表明,当LCE制成纤维时,其较大的比表面积使其能够实现与天然肌肉类似的超快速驱动。然而,单根纤维无法为实际应用提供足够的力量,多根纤维合并使用时驱动速度会因为比表面积的减小而降低。因此,人工肌肉目前还未能以实际应用的尺寸实现与动物肌肉相当的快速线性驱动。此外大多数基于智能材料(包括LCE)的人工肌肉的环境适应性有限,主要应用场景局限于空气环境中,难以像水生动物的肌肉一样支持软体机器人的水下运动。即便已有基于介电弹性体的人工肌肉实现了深海驱动,但其线性变形有限,并且受到破坏时会快速失效,工作鲁棒性不足。
 
图1. 仿生绳结人工肌肉的设计和制备
 
  近日,工学院研究员刘珂的课题组在国际顶尖期刊Advanced Materials杂志上发表了题为“Knotted Artificial Muscles for Bio-mimetic Actuation under Deepwater”的研究论文。工学院博士研究生陈雯慧为该论文第一作者,刘珂,中国科学院沈阳自动化所副研究员王聪,北大材料科学与工程学院教授杨槐为共同通讯作者。该论文提出了一种新的人工肌肉结构的设计原则,利用液晶弹性体(LCE)制造了具有优越驱动性能的仿生绳结人工肌肉(图1)。
 
  受生物肌肉的分级结构的启发,该研究将3D打印制成的LCE纤维合成一股,再与柔性加热丝线编织成特殊的绳结结构,制备成完整的人工肌肉束,以产生可扩展的驱动力。其中,平结的绳结结构为LCE人工肌肉带来了额外的结构收缩,使其展现出相比简单并联LCE纤维更快、更大的驱动。 这样的平结人工肌肉还具有强大的环境适应性,不仅能在浅水环境下实现较快的驱动,还能在3000m水深的等效水压下实现1Hz稳定循环驱动。该研究标志着基于LCE的柔性驱动器首次在如此极端的环境下实现驱动,拓展了LCE人工肌肉的应用环境,为后续研究指引了方向。除此之外,这样的仿生绳结人工肌肉在LCE纤维被全部破坏后还能实现20%的驱动应变,展现出了优异的损伤耐受性。仿生绳结人工肌肉的这些独特优势,尤其是高驱动应变、鲁棒性以及深水适应性,为构建轻量、智能、高适应性的水下机器人提供了全新的动力源。
 
图2. 仿生绳结人工肌肉驱动柔顺机构可用于远程体内手术
 
  并且,由于这样仿生绳结人工肌肉是受电驱动的,所以也可用于远程操作手术器械。因此,刘珂课题组开发了受绳结人工肌肉驱动的柔顺机构,可用于远程操作体内手术。经过拓扑优化设计后的柔顺机构被含有多根LCE纤维的绳结人工肌肉驱动时,能转化出不同方向的位移/力,在模拟环境中实现给药、缝合等操作(图2),并且加载绳结人工肌肉的柔顺机构作为全柔性机构不会伤害生物内部器官,十分安全,展现出了在远程体内手术中的强大适应性。该研究以“Active compliant mechanisms for optimized actuation by LCE-based artificial muscles”为题发表在了国际力学领域权威期刊Mechanics of Materials上。工学院博士研究生陈雯慧为该论文第一作者,工学院硕士研究生王睿成为共同作者,工学院研究员刘珂为通讯作者。
 
  这两项研究得到了“十四五”国家重点研发计划青年科学家项目、国家自然科学基金面上项目,以及北京大学中央高校基本科研业务费的支持。
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