供稿人:賀佩、賀健康 供稿單位:西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期:2022-11-15
在過去的十年中,軟體機(jī)器人在傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無法適應(yīng)的領(lǐng)域確立了自己的獨(dú)特地位。軟體機(jī)器人依賴于流體驅(qū)動(dòng)(例如,液壓和/或氣動(dòng))的柔性材料,促進(jìn)了其在人機(jī)交互的安全性、較低的成本和操縱復(fù)雜和/或微妙物體的幾何適應(yīng)性。然而,目前軟體機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵障礙在于,增加獨(dú)立操作的軟體執(zhí)行器(或自由度)的數(shù)量通常需要相等或更多的不同控制輸入。為了減少或消除對這種外部控制方案的需求,美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員提出了一種新穎的策略,即通過多材料3D打印,在一次打印中實(shí)現(xiàn)具有集成流控電路的軟體機(jī)器人(圖1)。
圖 1 集成流體電路的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)和增材制造策略
研究者設(shè)計(jì)了氣壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器龜,其工作原理是基于單個(gè)振蕩柵壓(PG)輸入的應(yīng)用,而源壓(PS)輸入被設(shè)置為一個(gè)恒定的量級。當(dāng)振蕩的柵壓(PG)輸入達(dá)到最小值時(shí),源壓(PS)輸入主要誘導(dǎo)流體流向流控晶體管的排氣口,而不是流向在尖端流體密封的軟執(zhí)行器(圖2A)。當(dāng)振蕩的柵壓(PG)輸入增加到能夠?qū)iT激活具有最大流體特性的流控晶體管時(shí),通往元件排氣口的路徑被阻塞,導(dǎo)致一部分源壓(PS)誘導(dǎo)的流轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向相應(yīng)的軟執(zhí)行器(圖2B)。所產(chǎn)生的與流體晶體管相關(guān)的軟致動(dòng)器的膨脹被設(shè)計(jì)成使腳蹼沿向下向后的軌跡移動(dòng)(圖2B)。隨著柵壓(PG)量級的持續(xù)增加,流控晶體管都被激活,導(dǎo)致兩組相應(yīng)的軟執(zhí)行器的膨脹結(jié)合在一起,為鰭狀肢誘導(dǎo)一個(gè)更大的向后軌跡(圖2C)。當(dāng)振蕩的柵壓(PG)輸入接近其最大峰值時(shí),最后的射流晶體管激活,導(dǎo)致所有的流動(dòng)轉(zhuǎn)向三組連接的軟執(zhí)行器,這是為了使鰭狀肢向一個(gè)向上向后的軌跡移動(dòng)(圖2D)。之后,這個(gè)循環(huán)相對于振蕩的柵壓(PG)輸入周期性重復(fù)(圖2,A到D)。
圖 2 基于正弦輸入的軟體機(jī)器龜?shù)墓ぷ髟砑皩?shí)驗(yàn)結(jié)果。
在這項(xiàng)工作中,研究人員首次引入了使用完全集成流體電路的軟體機(jī)器人的一體化增材制造的概念。為了支持控制軟體機(jī)器人功能的底層流控電路的復(fù)雜性,提出了與3D打印策略兼容的基本的流控元件,包括流控二極管以及常閉和常開流控晶體管。過去,傳統(tǒng)制造的流體操作器很難實(shí)現(xiàn)和/或定制流體特性。而本研究所報(bào)道的兩組流體晶體管的一個(gè)特別重要的特性來自于一個(gè)介入活塞連接的源漏區(qū)和柵極區(qū)的橫膈膜,流體相關(guān)的行為可以直接通過幾何手段(即橫膈膜直徑之比)按需要調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,無論是獨(dú)立的還是集成為大型集成流控電路的一部分時(shí),流控電路元件表現(xiàn)出的性能特征都與電子元件一致。雖然這項(xiàng)工作中的流控元件和流體電路是針對軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的,但流體閥門和功能可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物和生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域。