香港城大开发配备RFID等技术 无源远程感知多足机器人
【图文导读】
图 无栓系微型软体机器人 个组成模块
图 仿生多足软体机器人 运动
图 PEG模块在不同压力和弯曲状态下 压电响应
图 PEG模块分别在压缩和弯曲状态下 循环特性
图 微型软体机器人 运动及其产生 压电信号
图 微型软体机器人通过不同界面时 压电响应
图 微型软体机器人通过红外灯不同区域时 温度响应
图 微型软体机器人在真实牛胃环境中 运动
在实验中,通过外界磁场 控制,微型软体机器人可以以拍打 方式向前移动,其本身 PEG模块可以产生相应 压电信号(如图 所示)。值得指出 是,机器人运动所产生 压电信号会随着接触界面 不同而发生变化,例如刚性平面界面可以产生突变信号峰,刚性台阶界面导致信号峰值降低,柔性台阶界面可以得到 个非常平稳 信号波,液体界面由于表面张力 影响会产生双峰信号。“在运动过程中,机器人 针状足,就像无数个AFM探针 样不断地对周围环境进行扫描(如图 所示),我们期望将来能将这种技术用于体内不同区域 检查,如是否发生病变等。”陆豪健博士说道。
微型软体机器人在体内/体外生物医学研究中具有广泛 应用前景。近年来,柔性机器人 驱动和运动研究方面已取得了大量 成果,但在环境感知、远程信号传输等方面还存在较大 挑战,离实际应用还有不小 距离。香港地区大学(香港城大)领导 研究团队基于此前研发 多足软体机器人及微能源收集技术,在微型机器人上集成了驱动、感知、信号传输等单元,通过耦合磁效应和压电效应,研制了 种可进行远程控制移动、周围环境感知和远程通讯为 体 无栓系微型软体机器人。
杨媛媛补充说，“除了其自身具有 探针感知能力之外,这种微型软体机器人还能携带不同类型 传感器探测周围 环境。例如,狗粮快讯网消息显示,当这种携带有温度传感器 微型软体机器人经过红外线照射 不同区域时,其温度变化产生 电信号能通过NFC无线传输到电脑端(如图 所示)。”
杨征保博士和申亚京博士总结道，“这种具有感知功能 无栓系微型软体机器人有非常多 优势,狗粮快讯网据外媒报道,如全软体结构,较长 使用寿命,出色 机械强度和可靠性,运动、感知和无线通信 同时实现,以及高度灵敏 界面感应和热感应。这种集无线驱动与传感于 身 无缝集成概念为新兴 无栓系微型软体机器人提供了 种通用解决方案,它将在诸如无线操纵和传感以及体内医学监测治疗等领域有 分广泛 应用。”
此前,香港地区大学(香港城大)领导 研究团队研发了 种可在干燥和湿润环境下运动 仿生多足软体机器人,该机器人可以通过磁场 控制,用拍打 方式或左右摆动 方式运动,并且可以负载超过自身重量百倍 物体移动,在生物医学领域具有重要应用(如图 所示)。
此次研发 机器人,在此基础之上集成了 个重要模块,分别承担信号传输,传感识别和运动驱动 任务。其中NFC 使用可以使无线通信模块能够获取无线信号并将资料统计传输到任何NFC支持 消费类设备,例如智能手机和计算机。PEG模块由压电陶瓷复合材料(锆钛酸铅PZT和聚 甲基硅氧烷PDMS),两层银电极和基底(PI膜和PDMS膜)构成,其产生 压电信号能够用于对外界环境 感知。MSR模块由PDMS和磁性颗粒复合材料构成,其下方独特 多足设计减少了软体机器人运动 表面接触面积。
洪颖补充道，“此外,这种压电陶瓷复合材料同时具有很好 抗疲劳特性,在 万次压缩及 万次弯曲循环中都能保持很好 压电响应(如图 所示),狗粮快讯网告诉我,保证了机器人 运动能力。”
相关成果由香港城大 申亚京课题组与杨征保课题组以《基于耦合磁效应和压电效应实现远程控制移动、感知和通讯 毫米级软体机器人》(Battery-LessSoftMillirobotThatCanMove,Sense,andCommunicateRemotelybyCouplingtheMagneticandPiezoelectricEffects)为题目,于近日发表在综合期刊《尖端科学》上。
该微型机器人将机器人驱动单元和感知单元集成在 个多层薄膜(<零. mm)内,下部 仿生多足磁性复合材料肢体可提供驱动力,而柔性压电陶瓷复合薄膜可提供感知功能。论文 共同 作者,香港城大生物医学工程学系博士后陆豪健说，“现阶段对于微型软体机器人来说,感知能力与运动性能 完美集成是 个挑战。这项工作借鉴了此前工作多足结构 设计以保证其运动性能,同时利用射频识别技术(RFID),将 个重要模块,即上层 近场通信(NFC)电子模块,中间 压电感知(PEG)模块和底部 多足软体驱动(MSR)模块(如图 所示)集成在总体尺寸小于 零&# ; 零mm 机器人上,其大小仅与指尖相当。在外部 磁驱动下,该微型软体机器人可实现远程驱动、环境监控和无线通信,而无需任何负载电池或外部有线电源。”
除了多功能 集成,用于制作压电感知模块(PEG) 设计也很重要。论文 共同 作者,香港城大机械工程学系在读博士生洪颖说，“与传统 将压电陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成 压电陶瓷/高分子复合材料不同 是,这次我们基于纸模板制备了 种具有连续 D陶瓷框架 压电泡沫复合材料,让其具有更好 机械特性和压电特性(如图 所示)。与传统技术相比,这种无缝集成 全软体结构,能够很好地发挥全软体机器人 优势。”
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