微小的振動(dòng)動(dòng)力機(jī)器人是世界上最小的螞蟻的大小

研究人員創(chuàng)造了一種新型的微型3D打印機(jī)器人，通過(guò)利用壓電執(zhí)行器，超聲波源甚至微型揚(yáng)聲器的振動(dòng)來(lái)移動(dòng)。成群結(jié)隊(duì)的這些“微鬃機(jī)器人”可能會(huì)共同感知環(huán)境變化，移動(dòng)材料 - 或者有一天可能會(huì)修復(fù)人體內(nèi)部的傷害。

原型機(jī)器人根據(jù)其配置響應(yīng)不同的振動(dòng)頻率，允許研究人員通過(guò)調(diào)整振動(dòng)來(lái)控制各個(gè)機(jī)器人。大約兩毫米長(zhǎng) - 大約是世界上最小的螞蟻的大小 - 機(jī)器人可以在一秒鐘內(nèi)覆蓋自己長(zhǎng)度的四倍，盡管它們體積小的物理限制。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院助理教授Azadeh Ansari說(shuō)：“我們正在努力使技術(shù)更加強(qiáng)大，我們有很多潛在的應(yīng)用。”“我們正在從事力學(xué)，電子學(xué)，生物學(xué)和物理學(xué)的交叉。這是一個(gè)非常豐富的領(lǐng)域，并且有很多多學(xué)科概念的空間。“

描述微鬃毛疙瘩的論文已被接受在Micromechanics和Microengineering雜志上發(fā)表。這項(xiàng)研究得到佐治亞理工學(xué)院電子和納米技術(shù)研究所的種子基金的支持。除了安薩里，研究團(tuán)隊(duì)還包括喬治W.伍德拉夫機(jī)械工程學(xué)院副教授Jun Ueda和研究生DeaGyu Kim和Zhijian(Chris)Hao。

微刷毛機(jī)器人由粘合在聚合物主體上的壓電致動(dòng)器組成，該聚合物主體使用雙光子聚合光刻(TPP)進(jìn)行3D打印。執(zhí)行器產(chǎn)生振動(dòng)并由外部供電，因?yàn)闆](méi)有電池足夠小以適應(yīng)機(jī)器人。振動(dòng)還可以來(lái)自機(jī)器人移動(dòng)的表面下方的壓電振動(dòng)器，超聲波/聲納源，或甚至來(lái)自微型聲學(xué)揚(yáng)聲器。

振動(dòng)使彈性腿向上和向下移動(dòng)，推動(dòng)微型機(jī)器人前進(jìn)。每個(gè)機(jī)器人都可以根據(jù)腿部尺寸，直徑，設(shè)計(jì)和整體幾何形狀設(shè)計(jì)，以響應(yīng)不同的振動(dòng)頻率。振動(dòng)的幅度控制微型機(jī)器人移動(dòng)的速度。

“隨著微鬃機(jī)器人上下移動(dòng)，垂直運(yùn)動(dòng)通過(guò)優(yōu)化腿的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為定向運(yùn)動(dòng)，看起來(lái)像刷毛，”安薩里解釋說(shuō)。“微型機(jī)器人的腿部設(shè)計(jì)有特定的角度，允許它們?cè)谝粋€(gè)方向上彎曲和移動(dòng)，以響應(yīng)振動(dòng)。”

使用TPP工藝在3D打印機(jī)中制造微刷毛機(jī)器人，TPP工藝是聚合單體樹(shù)脂材料的技術(shù)。一旦被紫外光照射的樹(shù)脂塊部分化學(xué)顯影，剩余部分就可以被沖走，留下所需的機(jī)器人結(jié)構(gòu)。

“這是寫作而不是傳統(tǒng)的平版印刷術(shù)，”安薩里解釋說(shuō)。“你留下了用激光寫在樹(shù)脂材料上的結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程現(xiàn)在需要一段時(shí)間，因此我們正在研究如何擴(kuò)展它以一次制造數(shù)百或數(shù)千個(gè)微型機(jī)器人。“

一些機(jī)器人有四條腿，而其他機(jī)器人有六條腿。第一作者DeaGyu Kim制作了數(shù)百個(gè)微小的結(jié)構(gòu)來(lái)確定理想的配置。

使用材料鋯鈦酸鉛(PZT)的壓電致動(dòng)器在施加電壓時(shí)振動(dòng)。相反，當(dāng)它們被振動(dòng)時(shí)，它們還可以用于產(chǎn)生電壓，當(dāng)它們被外部振動(dòng)致動(dòng)時(shí)，微鬃機(jī)器人可以用來(lái)為板載傳感器供電。

安薩里和她的團(tuán)隊(duì)正在努力通過(guò)將兩個(gè)稍微不同的微鬃毛機(jī)器人連接在一起來(lái)為機(jī)器人增加轉(zhuǎn)向能力。因?yàn)槊總€(gè)連接的微型機(jī)器人將響應(yīng)不同的振動(dòng)頻率，所以可以通過(guò)改變頻率和振幅來(lái)控制該組合。“一旦你擁有一個(gè)完全可操縱的微型機(jī)器人，你可以想象做很多有趣的事情，”她說(shuō)。

安薩里指出，其他研究人員致力于利用磁場(chǎng)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的微型機(jī)器人。雖然這對(duì)于一次移動(dòng)整個(gè)群體很有用，但是磁力不能輕易用于解決群內(nèi)的個(gè)體機(jī)器人。安薩里和她的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造的微型機(jī)器人機(jī)器人被認(rèn)為是由振動(dòng)驅(qū)動(dòng)的最小的機(jī)器人。

微刷機(jī)器人長(zhǎng)約2毫米，寬1.8毫米，厚0.8毫米，重約5毫克。3D打印機(jī)可以生產(chǎn)更小的機(jī)器人，但質(zhì)量減小，微小設(shè)備和表面之間的附著力會(huì)變得非常大。有時(shí)，微型機(jī)器人不能與用于拾取它們的鑷子分開(kāi)。

安薩里和她的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)建立了一個(gè)“游樂(lè)場(chǎng)”，當(dāng)研究人員更多地了解他們可以做什么時(shí)，多個(gè)微型機(jī)器人可以在其中移動(dòng)。他們也有興趣開(kāi)發(fā)可以跳躍和游泳的微型機(jī)器人。

“例如，我們可以看看螞蟻的集體行為，并將我們從中學(xué)到的東西運(yùn)用到我們的小機(jī)器人身上，”她補(bǔ)充說(shuō)。“這些微型鬃毛機(jī)器人在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中行走得很好，但在他們進(jìn)入外部世界之前我們還有很多工作要做。”