作者:刘航 来源:澎湃新闻 发布时间:2021/12/2 22:07:21
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加州大学研究者开发仿生浮游机器人,有望在水面处理污染物

 

水黾是池塘上时常能看到有着细长腿的黑褐色虫子,它可以在水面自由移动、抓捕猎物。受其启发,加州大学河滨分校殷亚东教授课题组开发了一种仿生浮游机器人。

“其运动性能在类似的软体游泳机器人中更胜一筹,可与一些自然生物相媲美,有望在水面污染物处理、水面或水体内物质传输与传播等方面得到广泛应用。”殷亚东接受澎湃新闻(www.thepaper.cn)记者采访时表示。

据介绍,仿生浮游机器人的动力来自于研究组研发的光驱动软体蒸汽机(light-powered soft steam engine)和振荡器,这正是此项研究的最大突破。

“我们提出的工作机制和材料代表了设计软体振荡器的新方法,可以方便地控制振荡动力学和模式。因此我们相信它将为开发自适应机器人和太阳能软引擎提供新的机会。”殷亚东表示。

相关论文于当地时间12月1日发表在知名学术期刊《Science Robotics》上,论文标题为“Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming”。

从自然界的振动到设计振荡器

化学键的振动、细胞框架的振动、蜂鸟翅膀的振动、哺乳动物的心跳等都是自然界的振动。这些机械振动有一个显著特征:在非周期性刺激下的持续的周期性运动。

“在像细菌这样的微生物中,振动决定了许多基本的生物过程、特性和功能。另外,蛋白质定位的空间振动决定了细胞分裂的位置和DNA的定位。这些自然振动的另一个特点是它们可根据环境变化调整频率,如哺乳动物的心跳决定于窦房结周围血氧含量和恒定幅度动作电位。”殷亚东表示,“这些特性使生物通过主动调整振动力学和身体功能来适应不断变化的环境。”

振动对于生物生存有重要作用,而模仿这些振动系统为自适应机器人和能量收集设备的设计提供了启发。特别是,如果软体振荡器能够在非周期性刺激下进行规律性振荡,并对环境变化做出响应,这有望实现类似生物的功能。

如今,振动相关的研究已经有了不少,并且激发了不少仿生机器人的设计。然而,由于缺乏在恒定能量输入下产生振动的有效机制,制造软体机器人并使其拥有主动调整振动模式的能力仍然具有非常大的挑战。

为此,此项研究者开发了一种具有自适应振荡模式的光动力软振荡器,以响应不同强度的光照射。

据介绍,这种振荡器有三层结构,中间有水凝胶层包含等离子体纳米棒,可将光转化为热量并蒸发水分子以产生持续的蒸汽。通过控制光强度,产生的蒸汽气泡对振荡器的机械平衡产生可控的扰动,从而导致自适应的连续或脉冲振动。在持续光照下,它可以根据外界的光强度执行连续机械振动或者脉冲阻尼谐波振动。即,使用蒸汽作为工作流体将光能转换成机械能,因此其工作原理类似于传统的热蒸汽机。

“这是一种新型的可以在光照下实现持续振动的方法,它突破了原有的软体振荡器不能适应外界环境变化的局限,使得制备自适应的软体驱动器和下一代智能仿生软体机器人成为可能。”殷亚东表示。

不受导线束缚的仿生浮游机器人

基于光驱动软体蒸汽机,研究组开发了一种仿生浮游机器人,它不受导线束缚,可持续地以水为“燃料”,由光远程驱动在水面运动。

据殷亚东介绍,该机器人受水黾启发而设计。水黾是生活在水面上的一种昆虫,它有细长的腿,这使其身体重量能够均匀分布在较大的水面上。其腿部每平方毫米有数千根毛发,形成一种超疏水的结构,使其能够在高表面张力的水面上漂浮。

水黾在水面运动也很独特——脉冲式、间断的,这使其能在水面上高效自由移动和抓捕猎物。

“受水黾这种有趣的运动方式的启发,我们设计了一种可以以类似的独特运动方式实现浮游的软体机器人,其具有弯曲的形状,两端可以与水面直接接触,水则可以通过中间的水凝胶层连续传递到机器人身体中作为‘燃料’。”殷亚东表示。

由于该机器人底部的疏水性,它能轻松在水面上漂浮。而机器人的运动则由光驱动:光的照射产生高温,导致水蒸发,蒸汽泡的持续产生和破裂被利用来提供能量以驱动机器人的周期性运动和转向。

“我们的研究结果表明,仿生浮游机器人在水面上的运动模式和速率可以通过调节光的功率来控制。”殷亚东表示,在高功率光照下,该机器人进行连续、匀速的游泳。而在低功率光照下,其运动方式类似于水黾——脉冲式、有间断,有周期性的加速减速过程。

因此,这种仿生浮游机器人可以感知施加的光的强度变化,从而主动调节自身的机械振动模式和运动方式。据介绍,该机器人具有水处理、消毒和水路运输的潜在应用。

下一步,提高能量转化效率,探索实际应用

“我们的研究主要是展示一种新的设计软振荡器的概念以及其作为动力源在驱动仿浮游生物的机器人中的应用。这个振荡器是由光提供原始能量去驱动蒸汽的产生,进而产生振动,整个过程的能量转换效率并未进行优化,而这是实际应用中必须要回答的问题。”殷亚东表示。

“根据我们以前的研究,等离子基元纳米棒具有较高的光热转换效率,且转换效率可以通过控制纳米棒的结构来优化,这个会在下一步的工作中进行系统研究。”

他表示,他们也会进一步探索这种机器人的实际应用,诸如设计太阳能驱动的软体机器人。

“在优化材料的光热转换之后,我们期待这种机器人可以由太阳光驱动,通过预先设计的运动和转向来实现特定的功能,并可以灵敏地感知周围环境变化而改变其行为和调节其功能。”

 
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