4月7日消息,一根普通的人类头发就可以“秒变”爬行机器人。南开大学药物化学生物学国家重点实验室、化学学院刘遵峰教授团队利用加捻和冷烫技术研发出一种自行固定智能头发人工肌肉,可通过感知湿度实现自动伸缩,用它制成的毛虫机器人可以做出爬行、扭转等动作。


该技术为含化学键的加捻纤维的定型提供了一种新策略,在生物相容性智能材料、传感器和软体机器人研发领域中具有广阔应用前景。介绍该成果的论文日前发表于国际材料学权威期刊《材料视界》上。


头发秒变爬行机器人,可通过感知湿度实现自动伸缩


据介绍,拉伸和扭转驱动是基本的变形类型,可用于构建复杂的变形驱动,如弯曲、滚动、爬行等。人类的肌肉纤维、蜘蛛丝以及铃状铃虫的细长茎等,都是天然界中存在的自固定的纤维驱动器,可以实现伸缩和扭转等运动。基于生物材料的自固定智能驱动器可用于传感器、控制器以及组织工程、医疗保健和人机交互的软机器人中。刘遵峰团队在寻找合适的天然生物材料过程中,从美发厅的烫发技术中找到了灵感。


头发秒变爬行机器人,可通过感知湿度实现自动伸缩


头发是一种由丰富角蛋白组成的天然生物材料,具有高拉伸强度、高隔热性、完全的生物降解性以及容易获得等优点。由于头发中α-角蛋白对水具有高灵敏响应性,因此,研究团队认为,头发非常适合制备自固定人工肌肉。经过反复试验,团队利用头发中二硫键和氢键形成的交联网络,开发出了这种“智能烫发新技术”,实现了湿度响应的头发人工肌肉的自固定。


头发秒变爬行机器人,可通过感知湿度实现自动伸缩


“这项研究重要的意义在于提供了一种新的策略,通过生物相容性和可生物降解天然材料中的化学交联来实现捻度的保持,来制备自固定的纤维人工肌肉,并实现人工肌肉可逆性的调节。这项新技术可拓展应用于含–SH键的其他天然和人造材料的自固定中,并对含其他动态可逆共价键材料的自固定具有借鉴意义。”刘遵峰说。


大多数机器人都拥有一些共同的特性


首先,几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。有些拥有的只是机动化的轮子,而有些则拥有大量可移动的部件,这些部件一般是由金属或塑料制成的。与人体骨骼类似,这些独立的部件是用关节连接起来的。 机器人的轮与轴是用某种传动装置连接起来的。有些机器人使用马达和螺线管作为传动装置;另一些则使用液压系统;还有一些使用气动系统(由压缩气体驱动的系统)。机器人可以使用上述任何类型的传动装置。


其次,机器人需要一个能量源来驱动这些传动装置。大多数机器人会使用电池或墙上的电源插座来供电。此外,液压机器人还需要一个泵来为液体加压,而气动机器人则需要气体压缩机或压缩气罐。


所有传动装置都通过导线与一块电路相连。该电路直接为电动马达和螺线圈供电,并操纵电子阀门来启动液压系统。阀门可以控制承压流体在机器内流动的路径。比如说,如果机器人要移动一只由液压驱动的腿,它的控制器会打开一只阀门,这只阀门由液压泵通向腿上的活塞筒。承压流体将推动活塞,使腿部向前旋转。通常,机器人使用可提供双向推力的活塞,以使部件能向两个方向活动。


机器人的计算机可以控制与电路相连的所有部件。为了使机器人动起来,计算机会打开所有需要的马达和阀门。大多数机器人是可重新编程的。如果要改变某部机器人的行为,您只需将一个新的程序写入它的计算机即可。


并非所有的机器人都有传感系统。很少有机器人具有视觉、听觉、嗅觉或味觉。机器人拥有的最常见的一种感觉是运动感,也就是它监控自身运动的能力。在标准设计中,机器人的关节处安装着刻有凹槽的轮子。在轮子的一侧有一个发光二极管,它发出一道光束,穿过凹槽,照在位于轮子另一侧的光传感器上。当机器人移动某个特定的关节时,有凹槽的轮子会转动。在此过程中,凹槽将挡住光束。光学传感器读取光束闪动的模式,并将数据传送给计算机。计算机可以根据这一模式准确地计算出关节已经旋转的距离。计算机鼠标中使用的基本系统与此相同。


以上这些是机器人的基本组成部分。机器人专家有无数种方法可以将这些元素组合起来,从而制造出无限复杂的机器人。机器臂是最常见的设计之一。


文章来源: 科技日报,西钛珂

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