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        科學(xué)家研發(fā)像章魚(yú)觸手一樣靈活的“紙彈簧”機(jī)械臂,有望實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無(wú)線操控手術(shù)

        2021-12-07 17:11:25
        海外星云 2021年16期
        關(guān)鍵詞:磁場(chǎng)機(jī)械變形

        傳統(tǒng)的機(jī)械臂又大又重,并且受驅(qū)動(dòng)器(電機(jī)或氣動(dòng)泵)的限制,如果在人員和機(jī)器訪問(wèn)受限的惡劣環(huán)境中,機(jī)械臂的適用性、操作靈活性和多功能性將極大被束縛。

        那么,是否可以制造一種不受驅(qū)動(dòng)器尺寸和管線束縛的機(jī)械臂呢?

        近日,斯坦福大學(xué)趙芮可教授團(tuán)隊(duì)(原俄亥俄州立大學(xué))與佐治亞理工學(xué)院聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種應(yīng)用折紙結(jié)構(gòu)的“紙彈簧”機(jī)械手臂,它像章魚(yú)觸手一樣靈活,并且可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控及小型化??刹皇茯?qū)動(dòng)器限制,而是在周圍磁場(chǎng)的變化下“啟動(dòng)”,可提供集成的大收縮/展開(kāi)、萬(wàn)向彎曲和扭曲等靈活的多自由度變形和物體抓取能力。

        該成果在PNAS首頁(yè)推薦

        該團(tuán)隊(duì)表示,因?yàn)檎奂埞に囋试S平面材料或結(jié)構(gòu)重塑為三維結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)不同尺度的復(fù)雜機(jī)器人運(yùn)動(dòng),可以被應(yīng)用到包括變形結(jié)構(gòu)、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備、航空航天和電子等工程領(lǐng)域。

        機(jī)械臂的展開(kāi)和收縮

        相關(guān)論文以《可萬(wàn)向彎曲和扭曲的可拉伸折紙機(jī)械臂》為題發(fā)表在PNAS,被推薦到PNAS首頁(yè)。

        相關(guān)論文

        該研究共同一作為斯坦福大學(xué)軟智能材料實(shí)驗(yàn)室的(原俄亥俄州立大學(xué))博士生吳帥、博士后迮棄疾,其他作者包括俄亥俄州立大學(xué)碩士生戴繼澤、加州大學(xué)伯克利分校的碩士生孫悅(原SIM Lab本科生助研)。

        章魚(yú)科研迅速地重新配置其手臂,執(zhí)行游泳、步行和捕食等高度集成的任務(wù)。受這種軟體頭足類生物系統(tǒng)的啟發(fā),該團(tuán)隊(duì)與折紙結(jié)構(gòu)單元結(jié)合,然后設(shè)計(jì)了柔順的“紙彈簧”機(jī)械臂。

        該機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了像章魚(yú)手臂一樣,連續(xù)的變形、可調(diào)節(jié)以及用于移動(dòng)和捕食的敏捷動(dòng)作。通過(guò)精確的磁驅(qū)動(dòng),實(shí)現(xiàn)將拉伸、折疊、萬(wàn)向彎曲和扭曲等功能整合的多模態(tài)變形。

        用于收縮/展開(kāi)和全向彎曲的磁性Kresling單元的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

        為構(gòu)建與章魚(yú)手臂原理相似的機(jī)械臂,研究人員選擇了“分段法”。嵌入磁性顆粒的磁片和Kresling折紙結(jié)構(gòu)被連接在一起構(gòu)成單個(gè)Kresling結(jié)構(gòu)單元,在磁場(chǎng)的控制下可以分時(shí)實(shí)現(xiàn)收縮、展開(kāi)和全向彎曲。

        接下來(lái),該團(tuán)隊(duì)把這些單個(gè)分段單元整合連接,再把手臂放在可控的磁場(chǎng)中。由于每個(gè)部分都有屬于自己的磁化各異的磁片,研究人員通過(guò)改變磁場(chǎng)的參數(shù)實(shí)現(xiàn)了單獨(dú)控制機(jī)械臂的每個(gè)部分,它將Kresling結(jié)構(gòu)的彎曲與展開(kāi)相結(jié)合,并通過(guò)磁場(chǎng)的分布式驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了整個(gè)機(jī)械臂的靈活控制。

        單元機(jī)械手臂的驅(qū)動(dòng)機(jī)制

        研究人員指出,“將磁場(chǎng)計(jì)算機(jī)化,可以讓用戶使用類似游戲的控制器的簡(jiǎn)單操作就可以對(duì)手臂進(jìn)行非常精細(xì)的控制。在這樣的環(huán)境下,帶有手或爪的手臂可以自由地移動(dòng)變形。此外,該設(shè)計(jì)允許根據(jù)應(yīng)用自由定制,包括單元數(shù)、尺寸、變形方式和程度?!?p>

        具有拉伸、彎曲和扭曲運(yùn)動(dòng)的章魚(yú)式機(jī)械臂

        與醫(yī)用導(dǎo)管尺寸相近的機(jī)械臂

        遠(yuǎn)程磁場(chǎng)控制允許分布式驅(qū)動(dòng)多自由度機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜運(yùn)動(dòng),以實(shí)現(xiàn)上述變形能力和功能。趙芮可表示,“該研究的難點(diǎn)在于設(shè)計(jì)的靈活性帶來(lái)的大量設(shè)計(jì)變量,增加了設(shè)計(jì)的難度,未來(lái)我們考慮采用計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化方法來(lái)簡(jiǎn)化機(jī)械臂的設(shè)計(jì)過(guò)程?!?/p>

        通過(guò)磁性Kresling結(jié)構(gòu)的精巧設(shè)計(jì)和對(duì)施加磁場(chǎng)的精確控制,具有集成多模態(tài)變形的折紙機(jī)械臂可用于大收縮/展開(kāi)、全向彎曲和扭曲。

        除此之外,該團(tuán)隊(duì)表示,“磁驅(qū)動(dòng)使機(jī)械臂易于小型化,具有靈活的集成變形和物體抓取的能力,允許在狹窄的生物醫(yī)學(xué)環(huán)境中開(kāi)發(fā)微型醫(yī)療設(shè)備,如胃、腸、氣管和支氣管等?!?/p>

        趙芮可表示,該機(jī)械手臂并不是為了重物抓取而設(shè)計(jì),他們?cè)O(shè)想將它或類似的設(shè)計(jì)用于操作更精細(xì)的應(yīng)用中,例如醫(yī)療領(lǐng)域的體內(nèi)環(huán)境?!拔磥?lái),我們計(jì)劃在醫(yī)療環(huán)境中進(jìn)行不斷地實(shí)驗(yàn)改進(jìn),結(jié)合現(xiàn)在成熟的磁場(chǎng)控制醫(yī)療設(shè)備,如核磁共振儀,期望將該機(jī)械臂技術(shù)不斷向?qū)嶋H應(yīng)用推進(jìn)?!保ㄕ悦馈渡羁萍肌罚?(編輯/克珂)

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