香港中文大學(xué)張立教授課題組：軟體機器人平臺用于復(fù)雜生物運動的解耦和重編程

來源： 摩方PuSL高精密

由于自然界中生命的演變,，生物往往表現(xiàn)出對復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性,，例如超快運動,、偽裝和群體合作,。生物運動的研究對仿生機器人以及醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建等工程領(lǐng)域具有重要啟示作用,�,；�于��,，人們致力于開發(fā)新的仿真工具,、物理模型和實驗平臺來模擬和研究這些自然運動模式。然而,，許多不同尺度的生物表現(xiàn)出非常復(fù)雜的運動步態(tài),，例如多種基本運動的耦合。這些步態(tài)難以用現(xiàn)有的軟體機器人平臺模擬,，而且這些平臺通常缺乏解耦復(fù)雜生物行為的策略,，使得理解生物運動的機制具有挑戰(zhàn)性。

近日,，香港中文大學(xué)張立教授課題組聯(lián)合北京計算科學(xué)研究中心丁陽教授課題組以及美國卡耐基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機器人平臺用于重建和解耦復(fù)雜生物運動,。該磁性軟體機器人可以通過模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節(jié)肢型的水凝膠磁性機器人,，機器人身體由磁性段（由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成）和非磁性段（由聚丙烯酰胺水凝膠制成）組成,。機器人的尺寸為長度5 mm、長寬比11:1,。采用時變磁場來誘導(dǎo)軟體機器人的敏捷運動,。通過該軟體機器人平臺以及可編程的磁場輸入，該研究團隊可以重建出搖蚊的幼蟲所啟發(fā)的運動步態(tài)并對這類型的生物運動步態(tài)進行系統(tǒng)的解耦研究,。相關(guān)研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發(fā)表于國際著名期刊《Advanced Materials》,。

通過構(gòu)建的磁性軟體機器人系統(tǒng)，該研究團隊揭示了機器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)的相互耦合在其推進中起著關(guān)鍵作用,，以這種仿生推進方式游動可以誘導(dǎo)與自然生物一致的流場結(jié)構(gòu),，并在中等雷諾數(shù)狀態(tài)下實現(xiàn)優(yōu)異的運動性能。此外,，磁性軟體機器人能夠在流動的環(huán)境中逆流而行,，通過切換其運動模式來適應(yīng)三維環(huán)境，以及實現(xiàn)其他功能,，包括越障能力和在狹窄空間中的運動能力,。與通過磁場梯度直接將機器人驅(qū)動到指定位置的磁力控制策略相比，軟體機器人可以靈巧地控制其變形和運動模式,。

總結(jié)而言,，這項工作提供了一個磁性軟體機器人平臺，使其能夠?qū)�無脊椎動物的復(fù)雜運動進行解耦和重新編程,，并掌握它們的基本機制,。這也為設(shè)計具有復(fù)雜耦合步態(tài)的游動軟機器人提供了新的思路。

圖1. 軟體機器人的磁場控制和運動分析,。（A）機器人的模板輔助磁化方式,；（B）沿著機器人中心線的磁通密度分布,；（C）軟體機器人在不同靜態(tài)磁場下的變形和轉(zhuǎn)向,；（D）用于控制軟體機器人的動態(tài)磁場,；（E）軟體機器人在一個周期內(nèi)的運動序列。

圖2. 軟體機器人的流場動力學(xué)模擬和流場可視化分析,。（A）在一個周期內(nèi)軟體機器人的瞬時速度,；（B）軟體機器人質(zhì)心軌跡的實驗和模擬結(jié)果；（C）在一個運動周期內(nèi)施加到機器人身體上的凈流體力,；（D）流場結(jié)構(gòu)的可視化,。

圖3. 軟體機器人平臺用于解耦復(fù)雜生物運動。（A）機器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)之間的相位差對運動性能的影響,；（B）機器人身體的轉(zhuǎn)動角度對運動性能的影響,；（C）磁場強度對機器人運動性能的影響；（D）磁場頻率f2/f1 對機器人運動性能和前進速度的影響,；（E）磁場頻率feq對機器人運動性能的影響,。（F）機器人運動方向和磁場方向角的關(guān)系。

圖4. 軟體機器人的多模態(tài)運動,。（A）機器人沿著五角星軌跡的可控運動,；（B）機器人在動態(tài)環(huán)境中的運動；（C）機器人的三維游動和避障行為,；（D）機器人在狹窄空間內(nèi)運動,；（E）機器人通過多種模式運動探索三維空間。

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https://doi.org/10.1002/adma.202109126