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智能液滴——全球首个液态全柔性智能机器人诞

陈曦 通讯员 焦德芳

《西纪行》中孙悟空“72变”化身小虫,钻到魔鬼肚子里大年夜显武艺的故事,依靠了前人对付微不雅天下的大年夜胆创想。近日,天津大年夜学精仪学院黄显教授团队成功研发举世首个液态全柔性智能机械人,有望成为柔性电子财产和植入医疗东西的革命性冲破,能72变的“血管医生”让神话成为现实。相关钻研成果近期颁发于国际工程和自然科学领域势力巨子期刊《尖端科学》,并获得国家自然科学基金和天津自然科学基金等支持。

多功能柔性电子器件的集成

“软体机械人”面临“硬伤”

如今机械人技巧已经被利用到各个领域,有一类机械人可以根据所处的地舆情况,自由随意率性的改变其布局和外不雅,具有运动能力、变形能力和传感丈量能力,这类机械人被称为“无定形软体机械人”。

“这类机械人是基于柔性电子器件所具有的超薄、柔性、可延展的“类皮肤”特点,使用柔性电子技巧研发的微型“软体”机械人可以反复改变外形,实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能。”黄显教授团队成员博士钻研生周明行先容说,其在生物医学领域和安然领域有着自己独占的上风。在生物医学领域,无定形软体机械人在可控药物开释以及植入式医疗机械人等方面有着伟大年夜的潜力,微型软体机械人可以经由过程打针要领随血液进入血管,借助传感元件和包载药物,对血液和血管道进行丈量,实现定点可控药物开释等功能。在安然领域,无定形软体机械人能有进入人类无法进入或者危险的情况,并对情况中物理、化学和生物等旌旗灯号进行检测,情况适应能力强,在排险、探伤、侦查、军事安然领域具有广泛的利用前景。

液态全柔性智能机械人的运动和变形。图片由天津大年夜学供给

“不过在现阶段,已有的或者在研的“软体机械人”依然面临着一些‘硬伤’。”周明行解释说,这是由于,今朝柔性电子器件主要贴附于或者集成在有机体、机械和电子产品上事情,依赖物每每位置固定,其活动范围受限。部分软体机械人虽然可以实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能,然而这些功能的实现主要依附于传统的刚性传感元件和电路,还没有做到机体和功能电路的全柔性构造,严重阻碍了机能的实现,比如在狭窄的血管、裂缝中,通俗的软体机械人都是无法进入或者经由过程的。这就必要全柔性、无固定形态,像液体一样的机械人呈现,来满意这种需求。

受水母、轮虫启迪研发“智能液滴”

怎么才能制玉成柔性的机械人呢?黄显教授团队受自然界柔嫩的水母、轮虫等腔肠动物和浮游生物的启迪,使用液滴的柔嫩无定形特点和柔性电子器件的超薄柔嫩特点,构建了一种全新的“智能液滴”——液态全柔性智能机械人,首次实现了软体机械人运动载体和功能丈量器件的全柔性化和可编程控。

周明行先容说,团队基于微纳加工技巧制作出超薄(厚度小于10微米,相称于头发丝的十分之一)多功能柔性电子器件,使用液滴浮力和外面张力等特点,将柔性电子器件悬浮于液滴外面,经由过程改变液滴种类和器件设计,实现不合情况和节制前提下智能液滴的运动、变形和传感丈量等功能的多义务履行。

这种“智能液滴”可以将电子器件送达至目标指定位置并完成功能组装。周明行先容说:”我们经由过程在水液滴中掺入四氧化三铁纳米颗粒,使用磁场节制,使智能液滴可以以226cm/秒的速率进行可编程化运动。在运动历程中,碰到渺小夹缝、突出外面时,‘智能液滴’可随意‘变形’经由过程障碍物,到达指定位置后恢回覆再起状。”当碰到必要多种功能的“智能液滴”时,为了不增添整体大年夜小,还可以把每种功能分手制作成智能液滴,当这些“成员”到达指定地点,使用三维磁场操控,就能把这些功能组装集成起来。

“智能液滴”可集成多种功能

“智能液滴”要想具备十八般技艺,就必要在柔性电子器件上集成多种传感器,如温度传感器、湿度传感器、光学传感器、应力传感器、葡萄糖传感器、食物毒素传感器和无线能量采集模块。“我们在集成的历程中发明,部分电子元器件都过厚,最薄的也都在200微米阁下,无法满意智能液滴的制作需求。”周明行先容说,我们借助实验室微纳加工技巧、机器研磨和转印技巧实现了柔性电子器件变薄。今朝,“智能液滴”可实现在静态和动态状态下,对情况中的物理、化学和生物等旌旗灯号的丈量和采集。

使用液滴和柔性电器器件结合是一种全新的构建全柔性软体机械人的思路、措施,该措施为周全实现繁杂情况下可自力事情的软体机械人奠定根基。周明行表示,这种措施给光阴和劳动耗损型钻研带来了便利。高通量可编程节制的特征,使其可利用于基因测序、化学合成、药物递送和微组装等必要正确操控和持续检测领域,有望成为能进入人体检测治疗的“血管医生”,具有十分紧张的科学意义和利用代价。

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