机器人控制领域新进展：用磁场控制的软体机器人

机器之心编译

参与：晏奇

研究者在控制所谓软体机器人方面取得重大进展，他们可以使用磁场远程操控软体机械设备中的微粒链。到目前为止，研究者已经开发出了多种使用该新技术的设备。

在控制所谓软体机器人领域，一个工程研究团队取得了重大进展。他们使用磁场来远程操控软体机械设备中的微粒链（microparticle chains）。目前为止，研究者已经开发出多款使用该项新技术的设备。

这项新技术基于早先 Tracy 和 Orlin Velev 在自组装、磁驱动复合材料领域的研究而开发。二人是北卡罗来纳州立大学化学与生物分子工程学的 INVISTA 教授（INVISTA 译者注：全球最大的综合纤维和聚合物公司之一）。

在这项研究中，研究人员将铁微粒引入了一个液态聚合混合物中（a liquid polymer mixture），然后他们使用一个磁场来诱导微粒形成并行的链条。当混合物干燥以后，会留下一个嵌有并排磁微粒（aligned chains of magnetic particles）的弹性聚合薄膜。

「通过控制磁场来控制磁性微粒链，我们可以远程操控聚合物来将其变为软体机器人，」Tracy 说道。

特别的是，磁场的方向和强度是可变的。当施加一个特定方向的磁场时，铁微粒链会因受到磁场作用而而调整自己的形状，从而其周边聚合物也会以同样的方向发生形变。

通过使用这项技术，研究者开发了三款软体机器人。其中一个是条悬臂，它可以提起最大超过自身 50 倍重量的物体。另一个是个手风琴状，模仿肌肉的可伸缩设备。第三个是管状设备，其设计目的是可以当做可蠕动泵：一个沿管子长度移动的扁长区域，这很像一个人沿着牙膏管道挤出其最后一点牙膏。

「为了提升软体机器人的潜力，我们正在研究如何可以同时提升这些设备的能力和对其的控制，」Tracy 说道。

同时，研究者们也开发了一个评估磁动力机器（如前面提到的悬臂）的度量标准。

Chained Iron Microparticles for Directionally Controlled Actuation of Soft Robots（对软体机器人定向驱动中链状铁微粒的研究）

论文链接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b01209

摘要：链式磁性粒子（magnetic particles in chains）的磁场定向自组装（Magnetic field-directed self-assembly）对于开发软体机器人中的定向响应材料很有帮助。在过去，使用更加复杂的的材料才可以换来高级的功能，然而现在使用简单的设备构架也可以达到这个目的。本研究的设计包含了链状磁性微粒的弹性薄膜通过被溶剂浇筑（solvent casting），形成了由磁性驱动的升降机（lifter）、可伸缩机、阀门以及泵状机。链状磁性微粒结构不仅可以增强设备驱动性，也赋予了其随磁场响应而改变方向的能力。悬臂可被当做升降机使用，其最大载荷为聚合膜质量的 50 倍。我们引入「比扭矩（specific torque）」——扭矩/单位磁场强度/单位磁性微粒质量——作为评价和衡量升降机（lifter）和相关设备性能的优良指数。这项研究中的设备生成的比扭矩为 68 Nm/kgT，这略高于早期 道的设备。基于风琴状设备的方向，对折叠的风琴状设备应用的磁场造成了其结构的伸缩。在嵌入了磁性链的复合管的可蠕动泵中，磁场会造成管中被施加磁场域的夹闭。这些成果可促进未来基于链状磁性微粒的软体机器人发展，同时也将惠及对高比扭矩（higher specific torque）工程材料的研究。