作者：金爵

一、高速導讀

? ? ? ?大自然中的型軟物種經過幾億年的進化，適應了各自不同的電磁生存環境。研究者為了設計在特定環境下使用的機器機器人，需要參考對應環境中生存的人材動物和植物來獲得設計靈感。例如：近幾年來隨著海洋資源的料牛快速開發，游泳機器人有著很大的高速實用價值。參照游泳健將青蛙，型軟哈爾濱工業大學的電磁機器人技術與系統國家重點實驗室近期發表在國際期刊《軟體機器人（Soft Robotics）》上的一篇論文介紹了一款受到青蛙啟發的高度仿生機器蛙。這款機器蛙的機器腿部結構由軟材料和硬材料組成，好似蛙腿的人材骨骼和肌肉一般。研究者通過設計高度仿生的料牛“機器蛙腿”，完美還原了青蛙游水的高速動作。這款機器蛙能夠很好的型軟適應不同的環境，為游泳機器人的電磁設計提供了新的思路。

? ? ? ?對于能夠在不同環境下高速運動，是動物在自然界生存必不可少的技能，更需要允許在惡劣和不可預測的環境中生存。通過設計一種仿生軟機器人，同樣具備多功能和超快運動功能，需要研究人員對機器人進行適當的驅動機制和設備設計。在這里，我們展示了一類由彎曲的彈性雙層復合材料制成的小型軟電磁機器人，由洛倫茲力驅動，作用在嵌?式印刷液態金屬通道上，在靜磁場中承載交流電，驅動電壓為幾伏。它們的動態諧振性能，基于實驗和理論進行對比研究。這些機器人用途廣泛，可以行走、奔跑、游泳、跳躍、駕駛和運輸貨物。

二、成果掠影

? ? ? ?本文報道了一種軟電磁機器人，是由包含液態金屬 (LM) 線圈的軟電磁致動器 (SEMA) 嵌入彈性體基材構成。配合驅動設備使其具有良好的可控性，并在強靜磁場中具有高性能。彈性體的剪切模量是通過擬合從單軸拉伸試驗獲得的應力-應變數據獲得的（應變率 40% min^-1）。試樣幾何形狀基于歐洲標準 EN ISO 527-2:1996（5A 型）。在不可壓縮 Neo-Hookean 超彈性模型的假設下，Ecoflex/PDMS 復合材料的剪切模量為 66.5 ± 1.0 kP。開發了一系列超快、堅固、多功能的小型軟電磁機器人（SEMR），能夠行走、跑步、跳躍、游泳、轉向，甚至運輸和釋放貨物。約翰內斯開普勒大學林茨理工學院軟材料實驗室毛國勇和大衛 席勒課題組發表了相關論文，論文題目為：“Ultrafast small-scale soft electromagnetic robots”，發表在NATURE COMMUNICATIONS上。

三、核心創新點

1.機器人采用通用的 L 形腳設計，采用 L 形腳的 SEMR TL 的工作機制。相對較大的 L 形腳連接在后腿內側和前腿外側。這種內置的不對稱性交替地轉移雙腳之間的重量，使正常的反用作力和靜摩擦力分布不均，類似于人類的步行和跑步周期。

2.彈性體用于制造雙層薄膜的彈性體是通過混合 Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) 和聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 制備的。

四、數據概論

圖1 SEMR（軟電磁致動器）的制造過程圖和性能圖。? 2022 The Authors

圖2 小型SEMR的設計和表征。? 2022 The Authors

圖3 ?SEMR的運行機制和性能圖。? 2022 The Authors

圖4 SEMR的強大性能：跳躍、游泳、導航和 通過模塊的受控電流。? 2022 The Authors

五、成果展示

? ? ? ?通過建模設計展示了具有超高速（高達 70 BL/s）的小型軟電磁機器人（SEMR），兩種類型的 SEMR 腳：用于不對稱 3D 打印基板的鋸齒形腳和 L 形腳 用于平面基板，能夠應用在多模式機車運動，不受束縛的操作，使其非常適合電控智能系統中的多功能應用。此外，對于施加更強的磁場，例如 在MRI 機器的內部，將大大提高SEMR 的速度、功率輸出和效率。使用 3D 直接墨水書寫的簡單且可擴展的制造使其非常適用于電控智能系統中的多種應用。通過用定制的電池供電印刷電路板 (PCB)替換運輸 SEMR 的貨物操縱執行器，為無束縛的 SEMR 提供了一種簡單的原型設計解決方案。此外，對推動未來高性能微型機器?的開發，用于靈活的微制造、靶向藥物輸送和非侵?性手術提供了新的設計思路。

參考文獻

Mao, G., Schiller, D., Danninger, D. et al. Ultrafast small-scale soft electromagnetic robots. Nat Commun 13, 4456 (2022).

文獻鏈接

https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4