软多功能机器人变得非常小和蜘蛛形

机器人专家正在设想一个未来,在这个未来中,柔软的,动物启发的机器人可以安全地部署在难以进入的自然和人造环境中,例如在人体的精细外科手术中,或者在太小且不可预测的空间中用刚性机器人征服或对人类太危险而无法使用刚性机器人。已经创建了厘米大小的软机器人,但到目前为止还无法制造能够在较小尺寸范围内移动和操作的多功能柔性机器人。

哈佛大学Wyss生物启发工程研究所,哈佛John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和波士顿大学的研究团队现在通过开发一种能够设计软机器人的集成制造工艺来克服这一挑战。具有微米级特征的毫米级。为了展示他们的新技术的能力,他们创造了一种机器人软蜘蛛 - 灵感来自毫米大小的彩色澳大利亚孔雀蜘蛛 - 来自单一的弹性材料,具有塑身,运动和颜色特征。该研究发表在Advanced Materials上。

“最小的软机器人系统仍然非常简单,通常只有一个自由度,这意味着它们只能驱动一种特定的形状或运动类型的变化,”Sheila Russo博士说,该研究的作者。Russo在Wyss Institute和SEAS担任Robert Wood小组的博士后研究员,现在是波士顿大学的助理教授。“通过开发融合了三种不同制造技术的新混合技术,我们创造了一种仅由硅橡胶制成的软机器人蜘蛛,具有18个自由度,包括结构,运动和颜色的变化,以及微米范围内的微小特征。 “

伍德博士是Wyss研究所Bioinspired Soft Robotics平台的核心教员和共同领导者,以及SEAS的Charles River工程和应用科学教授。“在软机器人设备领域,这种新的制造方法可以为实现类似水平的复杂性和功能铺平道路,这种复杂性和功能在这种小规模上与刚性对应物所展示的一样。在未来,它还可以帮助我们模拟和理解结构小型动物的功能关系比刚性机器人好得多,“他说。

在他们用于可重构气动/液压(MORPH)装置的微流体折纸中,该团队首先使用软光刻技术生成12层弹性硅胶,这些硅胶共同构成了软蜘蛛的材料基础。使用激光微加工技术精确地从模具中切割出每一层,然后粘合到下面的一层以形成软蜘蛛的粗糙3D结构。

将这种中间结构转化为最终设计的关键是预先设想的中空微流体通道网络,其整合到各个层中。使用称为注射诱导自折叠的第三种技术,加压一组这些集成的微流体通道,其具有来自外部的可固化树脂。这引起单独的层,并且还有它们的相邻层,以局部弯曲成它们的最终构型,当树脂硬化时,其固定在空间中。这样,例如,软蜘蛛的腹部肿胀和向下弯曲的腿成为永久性的特征。

“我们可以通过改变不同层上通道附近的硅树脂材料的厚度和相对一致性,或通过不同距离通道的激光切割,精确控制折纸式折叠过程。在加压过程中,通道起到执行器的作用导致永久性的结构变化,“首先和通讯作者Tommaso Ranzani博士说,他是Wood集团的博士后研究员,现在也是波士顿大学的助理教授。

剩下的一组集成微流体通道被用作额外的致动器,以使眼睛着色并通过流动有色流体模拟孔雀物种的腹部颜色图案;并引起腿部结构中的行走式运动。“这个第一个MORPH系统是在单个整体工艺中制造的,可以在几天内完成,并且可以在设计优化工作中轻松迭代,”Ranzani说。

“MORPH方法可以为那些更专注于医疗应用的研究人员开辟软机器人领域,这些机器人的尺寸和灵活性较小,可以为内窥镜和显微手术提供全新的方法,”Wyss Institute创始总监Donald Ingber说。医学博士,博士,也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授和波士顿儿童医院的血管生物学项目,以及SEAS的生物工程教授。