Nat. Commun.：超高速型软电磁机器人

作者：金爵

一、导读

大自然中的物种经过几亿年的进化，适应了各自不同的生存环境。研究者为了设计在特定环境下使用的机器人，需要参考对应环境中生存的动物和植物来获得设计灵感。例如：近几年来随着海洋资源的快速开发，游泳机器人有着很大的实用价值。参照游泳健将青蛙，哈尔滨工业大学的机器人技术与系统国家重点实验室近期发表在国际期刊《软体机器人（Soft Robotics）》上的一篇论文介绍了一款受到青蛙启发的高度仿生机器蛙。这款机器蛙的腿部结构由软材料和硬材料组成，好似蛙腿的骨骼和肌肉一般。研究者通过设计高度仿生的“机器蛙腿”，完美还原了青蛙游水的动作。这款机器蛙能够很好的适应不同的环境，为游泳机器人的设计提供了新的思路。

对于能够在不同环境下高速运动，是动物在自然界生存必不可少的技能，更需要允许在恶劣和不可预测的环境中生存。通过设计一种仿生软机器人，同样具备多功能和超快运动功能，需要研究人员对机器人进行适当的驱动机制和设备设计。在这里，我们展示了一类由弯曲的弹性双层复合材料制成的小型软电磁机器人，由洛伦兹力驱动，作用在嵌⼊式印刷液态金属通道上，在静磁场中承载交流电，驱动电压为几伏。它们的动态谐振性能，基于实验和理论进行对比研究。这些机器人用途广泛，可以行走、奔跑、游泳、跳跃、驾驶和运输货物。

二、成果掠影

本文报道了一种软电磁机器人，是由包含液态金属 (LM) 线圈的软电磁致动器 (SEMA) 嵌入弹性体基材构成。配合驱动设备使其具有良好的可控性，并在强静磁场中具有高性能。弹性体的剪切模量是通过拟合从单轴拉伸试验获得的应力-应变数据获得的（应变率 40% min^-1）。试样几何形状基于欧洲标准 EN ISO 527-2:1996（5A 型）。在不可压缩 Neo-Hookean 超弹性模型的假设下，Ecoflex/PDMS 复合材料的剪切模量为 66.5 ± 1.0 kP。开发了一系列超快、坚固、多功能的小型软电磁机器人（SEMR），能够行走、跑步、跳跃、游泳、转向，甚至运输和释放货物。约翰内斯开普勒大学林茨理工学院软材料实验室毛国勇和大卫席勒课题组发表了相关论文，论文题目为：“Ultrafast small-scale soft electromagnetic robots”，发表在NATURE COMMUNICATIONS上。

三、核心创新点

1.机器人采用通用的 L 形脚设计，采用 L 形脚的 SEMR TL 的工作机制。相对较大的 L 形脚连接在后腿内侧和前腿外侧。这种内置的不对称性交替地转移双脚之间的重量，使正常的反用作力和静摩擦力分布不均，类似于人类的步行和跑步周期。

2.弹性体用于制造双层薄膜的弹性体是通过混合 Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 制备的。

四、数据概论

图1 SEMR（软电磁致动器）的制造过程图和性能图。© 2022 The Authors

图2 小型SEMR的设计和表征。© 2022 The Authors

图3 SEMR的运行机制和性能图。© 2022 The Authors

图4 SEMR的强大性能：跳跃、游泳、导航和 通过模块的受控电流。© 2022 The Authors

五、成果展示

通过建模设计展示了具有超高速（高达 70 BL/s）的小型软电磁机器人（SEMR），两种类型的 SEMR 脚：用于不对称 3D 打印基板的锯齿形脚和 L 形脚 用于平面基板，能够应用在多模式机车运动，不受束缚的操作，使其非常适合电控智能系统中的多功能应用。此外，对于施加更强的磁场，例如 在MRI 机器的内部，将大大提高SEMR 的速度、功率输出和效率。使用 3D 直接墨水书写的简单且可扩展的制造使其非常适用于电控智能系统中的多种应用。通过用定制的电池供电印刷电路板 (PCB)替换运输 SEMR 的货物操纵执行器，为无束缚的 SEMR 提供了一种简单的原型设计解决方案。此外，对推动未来高性能微型机器⼈的开发，用于灵活的微制造、靶向药物输送和非侵⼊性手术提供了新的设计思路。

参考文献

Mao, G., Schiller, D., Danninger, D. et al. Ultrafast small-scale soft electromagnetic robots. Nat Commun 13, 4456 (2022).

文献链接

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4