近年來,對有機生命體復雜的響應、運動機制的探索促進了軟體機器人的研究和發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的硬機器人,由柔性材料、軟物質材料組成的軟體機器人展現(xiàn)出了連續(xù)的身體變形以及復雜的運動模式,同時也為人機交互提供了多樣化的、安全的操作界面。然而,目前的研究主要集中在驅動變形、運動模式的操控,所開發(fā)的機器人只有有限的或者沒有對自身和環(huán)境的感知能力,這阻礙了其進一步面向精細人工智能機器人的發(fā)展。要賦予小尺寸軟體機器人以知覺,其中最大的挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)一個高度集成的傳感、驅動機制。
基于以上研究背景,新加坡國立大學的Ghim?Wei Ho教授課題組開發(fā)了一種光驅動薄膜機器人,其中厚度不超過115 μm的復合材料薄膜緊湊集成了壓阻式應變傳感器、熱電溫度傳感器以及光驅動器,同時獨立的傳感器電極設計使得這個薄膜機器人在持續(xù)的運動過程中可以同步地輸出身體變形和溫度信號,設計機理如圖1所示。
研究人員采用了剪紙技術和3D打印技術,實現(xiàn)了程序化設計復雜多樣的二維到三維的驅動變形、定制不同的機器人模型以及選擇性地打印電阻傳感器電路,機器人模型的尺寸可以小到1cm,如圖2所示。
研究人員進一步設計了三種機器人模型,包括行走機器人、擬人化手模型和不接線的蜈蚣,展示了可定制的軟體機器人在不同應用環(huán)境下的運動和感知性能。行走機器人可以在光控制下持續(xù)前行,并且實時輸出自身各種行走步態(tài)信號,包括身體的彎曲伸展、步子大小快慢、姿勢保持狀態(tài)以及被障礙物絆到等。此外,通過分析機器人在不同粗糙度基底上行走的時間-電阻變化波形,我們可以得到基底的表面粗糙度信息(圖3)。
手模型具有真人手的尺寸和比例,每個手指可以獨立地彎曲活動,相應的電阻變化信號提供動作信息;當手指接觸外界冷熱物體時,熱電電壓隨著溫度的變化發(fā)生震蕩;此外,在相同的光驅動條件下,用食指和拇指去捏相同尺寸不同軟硬度的物體時,通過食指電阻的變化大小可以很好地區(qū)分出幾種材料的相對軟硬度(如圖4所示)。
最后,結合近場通訊(NFC)技術,我們嘗試去除薄膜機器人的電極接線,實現(xiàn)了不接線的模型蜈蚣向前爬行、轉身,并且蜈蚣敏感的觸角可以無線感應光照強度、風速以及人的觸碰信號,如圖5。
以上工作以《Somatosensory, Light-Driven, Thin-Film Robots Capable of Integrated Perception and Motility》為題在線發(fā)表在期刊Advanced?Materials。論文第一作者為汪曉巧博士,通訊作者為Ghim Wei Ho教授,通訊單位為新加坡國立大學。
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