近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院李木軍副教授、張世武教授等提出了一種模塊化設(shè)計(jì)方法，利用多模態(tài)單元實(shí)現(xiàn)具有復(fù)雜變形和豐富功能的磁控軟體驅(qū)動(dòng)器的快速設(shè)計(jì)，拓展了硬磁性軟材料在機(jī)器人、流體系統(tǒng)、微細(xì)操作中的應(yīng)用。成果以“Annelids-Inspired Modular Design of Multi-Modal Deformation for Magnetic Soft Robots”為題發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)功能材料》上。

磁驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人因其無線可控性、快速響應(yīng)性和生物安全性在生物醫(yī)學(xué)、機(jī)器人和仿生學(xué)中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于軟材料變形的高度非線性和極大自由度，軟體機(jī)器人的變形和運(yùn)動(dòng)控制一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。研究團(tuán)隊(duì)受蚯蚓等環(huán)節(jié)動(dòng)物的節(jié)結(jié)構(gòu)啟發(fā)，提出了一種具有多模態(tài)變形的磁驅(qū)動(dòng)單元，單元集成了收縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、體積變化等多種變形模式，不同變形模式的單元可由同一勻強(qiáng)磁場驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了磁性軟材料的簡便編程設(shè)計(jì)，成功解決了磁控軟機(jī)器人的逆變形設(shè)計(jì)問題。該工作提出的模塊集成設(shè)計(jì)策略具有多功能性和便利性，推動(dòng)了硬磁性軟材料在智能和集成機(jī)械系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1：磁控軟驅(qū)動(dòng)器的模塊化單元集成設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)了磁控軟機(jī)器人的多場景應(yīng)用，包括順應(yīng)性柔性抓取、軟體機(jī)器人、流體系統(tǒng)等，拓展了磁控軟機(jī)器人的應(yīng)用潛力。研究團(tuán)隊(duì)使用收縮模態(tài)單元設(shè)計(jì)了無繩驅(qū)動(dòng)的爬行機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)速度和方向可控的爬行運(yùn)動(dòng)。此外還利用收縮模態(tài)單元設(shè)計(jì)了磁控軟泵，避免了傳統(tǒng)機(jī)械泵的磨損和銹蝕問題，且與電控系統(tǒng)隔離從而避免了在潮濕環(huán)境下使用的漏電等危險(xiǎn)。利用彎曲模態(tài)單元設(shè)計(jì)的磁控軟抓手，具有很強(qiáng)的形狀適應(yīng)性，能夠輕松抓取蒲公英、生鵪鶉蛋、鮮花、薯片等脆弱和易變形物體。而利用扭轉(zhuǎn)單元設(shè)計(jì)的扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，則可以在彎曲狹窄的管道里拆卸螺釘。此外，研究團(tuán)隊(duì)還將不同變形模態(tài)的單元集成到一個(gè)流體系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)泵送、攪拌、輸出選擇的協(xié)同工作。最后，研究團(tuán)隊(duì)還可將單元尺寸縮小到微米級，利用收縮和彎曲單元設(shè)計(jì)了毫米級的磁控鉤爪，可深入窄縫中勾取掉落的物品。

圖2：模塊化磁控軟驅(qū)動(dòng)器的多場景應(yīng)用

以上工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，安徽省自然科學(xué)基金，“科大新醫(yī)學(xué)”聯(lián)合基金支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系碩士生農(nóng)舒童為該論文的第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、張世武教授、孫宇軒博士后為該論文通訊作者。

論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202415690

（工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院、科研部）

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