香港城大開發(fā)配備RFID等技術(shù)的無源遠(yuǎn)程感知多足機(jī)器人

微型軟體機(jī)器人在體內(nèi)/體外生物醫(yī)學(xué)研究中具有廣泛的應(yīng)用前景。近年來，柔性機(jī)器人的驅(qū)動和運(yùn)動研究方面已取得了大量的成果，但在環(huán)境感知、遠(yuǎn)程信號傳輸?shù)确矫孢€存在較大的挑戰(zhàn)，離實際應(yīng)用還有不小的距離。香港城市大學(xué)(香港城大)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊基于此前研發(fā)的多足軟體機(jī)器人及微能源收集技術(shù)，在微型機(jī)器人上集成了驅(qū)動、感知、信號傳輸?shù)葐卧?，通過耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)，研制了一種可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制移動、周圍環(huán)境感知和遠(yuǎn)程通訊為一體的無栓系微型軟體機(jī)器人。

相關(guān)成果由香港城大的申亞京課題組與楊征保課題組以《基于耦合磁效應(yīng)和壓電效應(yīng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制移動、感知和通訊的毫米級軟體機(jī)器人》(Battery-Less Soft Millirobot That Can Move, Sense, and Communicate Remotely by Coupling the Magnetic and Piezoelectric Effects)為題目，于近日發(fā)表在綜合期刊《尖端科學(xué)》上。

該微型機(jī)器人將機(jī)器人驅(qū)動單元和感知單元集成在一個多層薄膜(<0.5 mm)內(nèi)，下部的仿生多足磁性復(fù)合材料肢體可提供驅(qū)動力，而柔性壓電陶瓷復(fù)合薄膜可提供感知功能。論文的共同第一作者，香港城大生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系博士后陸豪健說：“現(xiàn)階段對于微型軟體機(jī)器人來說，感知能力與運(yùn)動性能的完美集成是一個挑戰(zhàn)。這項工作借鑒了此前工作多足結(jié)構(gòu)的設(shè)計以保證其運(yùn)動性能，同時利用射頻識別技術(shù)(RFID)，將三個重要模塊，即上層的近場通信(NFC)電子模塊，中間的壓電感知(PEG)模塊和底部的多足軟體驅(qū)動(MSR)模塊(如圖1所示)集成在總體尺寸小于10×30 mm2的機(jī)器人上，其大小僅與指尖相當(dāng)。在外部的磁驅(qū)動下，該微型軟體機(jī)器人可實現(xiàn)遠(yuǎn)程驅(qū)動、環(huán)境監(jiān)控和無線通信，而無需任何負(fù)載電池或外部有線電源。”

【圖文導(dǎo)讀】

圖1 無栓系微型軟體機(jī)器人的三個組成模塊

此前，香港城市大學(xué)(香港城大)領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊研發(fā)了一種可在干燥和濕潤環(huán)境下運(yùn)動的仿生多足軟體機(jī)器人，該機(jī)器人可以通過磁場的控制，用拍打的方式或左右擺動的方式運(yùn)動，并且可以負(fù)載超過自身重量百倍的物體移動，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有重要應(yīng)用(如圖2所示)。

圖2 仿生多足軟體機(jī)器人的運(yùn)動

此次研發(fā)的機(jī)器人，在此基礎(chǔ)之上集成了三個重要模塊，分別承擔(dān)信號傳輸，傳感識別和運(yùn)動驅(qū)動的任務(wù)。其中NFC的使用可以使無線通信模塊能夠獲取無線信號并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺魏蜰FC支持的消費(fèi)類設(shè)備，例如智能手機(jī)和計算機(jī)。PEG模塊由壓電陶瓷復(fù)合材料(鋯鈦酸鉛PZT和聚二甲基硅氧烷PDMS)，兩層銀電極和基底(PI膜和PDMS膜)構(gòu)成，其產(chǎn)生的壓電信號能夠用于對外界環(huán)境的感知。MSR模塊由PDMS和磁性顆粒復(fù)合材料構(gòu)成，其下方獨特的多足設(shè)計減少了軟體機(jī)器人運(yùn)動的表面接觸面積。

圖3 PEG模塊在不同壓力和彎曲狀態(tài)下的壓電響應(yīng)

除了多功能的集成，用于制作壓電感知模塊(PEG)的設(shè)計也很重要。論文的共同第一作者，香港城大機(jī)械工程學(xué)系在讀博士生洪穎說：“與傳統(tǒng)的將壓電陶瓷粉末和高分子材料直接混合制成的壓電陶瓷/高分子復(fù)合材料不同的是，這次我們基于紙模板制備了一種具有連續(xù)3D陶瓷框架的壓電泡沫復(fù)合材料，讓其具有更好的機(jī)械特性和壓電特性(如圖3所示)。與傳統(tǒng)方法相比，這種無縫集成的全軟體結(jié)構(gòu)，能夠很好地發(fā)揮全軟體機(jī)器人的優(yōu)勢。”

圖4 PEG模塊分別在壓縮和彎曲狀態(tài)下的循環(huán)特性

洪穎補(bǔ)充道：“此外，這種壓電陶瓷復(fù)合材料同時具有很好的抗疲勞特性，在十萬次壓縮及一萬次彎曲循環(huán)中都能保持很好的壓電響應(yīng)(如圖4所示)，保證了機(jī)器人的運(yùn)動能力。”

圖5 微型軟體機(jī)器人的運(yùn)動及其產(chǎn)生的壓電信號

在實驗中，通過外界磁場的控制，微型軟體機(jī)器人可以以拍打的方式向前移動，其本身的PEG模塊可以產(chǎn)生相應(yīng)的壓電信號(如圖5所示)。值得指出的是，機(jī)器人運(yùn)動所產(chǎn)生的壓電信號會隨著接觸界面的不同而發(fā)生變化，例如剛性平面界面可以產(chǎn)生突變信號峰，剛性臺階界面導(dǎo)致信號峰值降低，柔性臺階界面可以得到一個非常平穩(wěn)的信號波，液體界面由于表面張力的影響會產(chǎn)生雙峰信號?！霸谶\(yùn)動過程中，機(jī)器人的針狀足，就像無數(shù)個AFM探針一樣不斷地對周圍環(huán)境進(jìn)行掃描(如圖6所示)，我們期望將來能將這種技術(shù)用于體內(nèi)不同區(qū)域的檢查，如是否發(fā)生病變等。”陸豪健博士說道。

圖6 微型軟體機(jī)器人通過不同界面時的壓電響應(yīng)

楊媛媛補(bǔ)充說：“除了其自身具有的探針感知能力之外，這種微型軟體機(jī)器人還能攜帶不同類型的傳感器探測周圍的環(huán)境。例如，當(dāng)這種攜帶有溫度傳感器的微型軟體機(jī)器人經(jīng)過紅外線照射的不同區(qū)域時，其溫度變化產(chǎn)生的電信號能通過NFC無線傳輸?shù)诫娔X端 (如圖7所示)。”

圖7 微型軟體機(jī)器人通過紅外燈不同區(qū)域時的溫度響應(yīng)

楊征保博士和申亞京博士總結(jié)道：“這種具有感知功能的無栓系微型軟體機(jī)器人有非常多的優(yōu)勢，如全軟體結(jié)構(gòu)，較長的使用壽命，出色的機(jī)械強(qiáng)度和可靠性，運(yùn)動、感知和無線通信的同時實現(xiàn)，以及高度靈敏的界面感應(yīng)和熱感應(yīng)。這種集無線驅(qū)動與傳感于一身的無縫集成概念為新興的無栓系微型軟體機(jī)器人提供了一種通用解決方案，它將在諸如無線操縱和傳感以及體內(nèi)醫(yī)學(xué)監(jiān)測治療等領(lǐng)域有十分廣泛的應(yīng)用?！?/p>

圖8 微型軟體機(jī)器人在真實牛胃環(huán)境中的運(yùn)動