一種柔軟的趨光游泳機(jī)器人 使用自持式水凝膠振蕩器構(gòu)建

加州大學(xué)洛杉磯分校(UCLA)和洛杉磯加利福尼亞納米系統(tǒng)研究所的研究人員最近開發(fā)了一種基于自持式水凝膠振蕩器的軟游泳機(jī)器人。這種機(jī)器人在Science Robotics上發(fā)表的論文中展示，在恒定光輸入下運行，無需電池。

“當(dāng)我照光上的軟，快速響應(yīng)性水凝膠柱，我觀察到的支柱開始振蕩光束各處，”郵船召，博士學(xué)位 參與研究的學(xué)生說。“這對我來說非常有趣，我想知道：恒定輸入怎么能產(chǎn)生間歇性輸出?在什么條件下會發(fā)生振蕩?它是否足夠強(qiáng)大，可以在水中推進(jìn)和游動，最終導(dǎo)致太陽帆?問題，我繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在實現(xiàn)這些目標(biāo)。“

趙和他的同事開發(fā)了一種由光響應(yīng)軟凝膠制成的軟振蕩器，它被模壓成柱狀或條狀。當(dāng)光線照射到凝膠柱的一個點上時，它會自動被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量。機(jī)器人上的局部加熱點使其噴射一些水并使其體積縮小，導(dǎo)致其尾部朝向光源彎曲。

“在它彎曲之后，尾巴本身阻擋了光線，”趙解釋道。“因此，陰影點會立即冷卻并再次膨脹，這會導(dǎo)致尾部再次下降。這個過程會迅速重復(fù)，導(dǎo)致拍打動作持續(xù)，只要光線適用。”

由于凝膠柱在組成上是均勻的并且?guī)缀螌ΨQ，因此它能夠響應(yīng)來自任意方向的光，這幾乎可以覆蓋整個3-D空間。振蕩器具有接近無限的自由度，是機(jī)器人技術(shù)的重要優(yōu)勢。

研究人員評估了他們的游泳機(jī)器人，其身體漂浮在水面上，尾巴位于水線以下，以確定其設(shè)計的有效性。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照在機(jī)器人的尾巴上時，它會上下振動，最終使機(jī)器人從光線中游離。這種沿著光源方向移動的獨特特征模仿了許多活體動物(如浮游生物和飛蛾)的趨光性行為，提供了通過遙控進(jìn)行導(dǎo)航和操縱的有用手段。

“軟機(jī)器人的美妙之處在于其設(shè)計的簡潔性，”趙的研究主管Ximin He告訴TechXplore。“整個機(jī)器人都是由一個均質(zhì)的水凝膠制成，極大地簡化了制造工藝并降低了成本。”

為了制造自持式水凝膠振蕩器并使其成為理想的形狀，研究人員將前體溶液注入預(yù)定的模具中，對凝膠進(jìn)行紫外線固化，然后將其從模具中取出。由于實現(xiàn)機(jī)器人的原理非常普遍且廣泛適用，因此振蕩器可以由許多材料構(gòu)成。

“發(fā)現(xiàn)一種利用環(huán)境能源產(chǎn)生振蕩運動的新普遍原理是令人興奮的，”他說。“通過這種方式，我們意識到恒定的環(huán)境刺激，如光，可以產(chǎn)生強(qiáng)大的振蕩，用這種簡單的材料在水中推進(jìn)和移動，由光線定向引導(dǎo)。這提供了一種收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)化為動能的一般方法能量和許多其他形式的能量來進(jìn)行有意義的工作。“

在他們的研究中，趙，他和他們的同事揭示了一種利用天然能源產(chǎn)生振蕩運動的新方法。采用這種方法來構(gòu)建振蕩器的研究人員可以根據(jù)他們希望收獲的能量類型，從廣泛的刺激響應(yīng)材料中進(jìn)行選擇。

由研究人員創(chuàng)造的游泳機(jī)器人由光振動提供動力，其運動由恒定光線引導(dǎo); 因此，它不受限制，無電池且智能化。它是迄今為止開發(fā)的首批完全軟式機(jī)器人之一，重量輕，成本低且易于部署。

水凝膠光振蕩

“我們現(xiàn)在計劃進(jìn)一步優(yōu)化材料，以便能夠在更寬的條件下振蕩，例如溫度，光波長等，”趙說。“我們也在尋找更多應(yīng)用，例如信號傳感，能量收集和其他機(jī)器人運動。”