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基于多物理场驱动的仿生微型机器人的研究

基于多物理场驱动的仿生微型机器人的研究

作者：王晓雯烟台大学

学位级别：硕士

从20世纪50年代第一台工业机器人诞生以来,机器人为人类的生产生活提供了很大的便利。随着微制造技术的进步,机器人逐渐趋于微型化。微型机器人由于其较小的尺寸,可满足小尺度环境下的作业,以及适用于传统手段难以操作的情形,得到了快... 详细信息

从20世纪50年代第一台工业机器人诞生以来,机器人为人类的生产生活提供了很大的便利。随着微制造技术的进步,机器人逐渐趋于微型化。微型机器人由于其较小的尺寸,可满足小尺度环境下的作业,以及适用于传统手段难以操作的情形,得到了快速的发展。然而微型机器人体积较小,不能通过在内部设置电源的方式对其进行供电,只能通过外部的刺激来驱动,目前,光、磁、电、化学等物理场被广泛用于驱动微型机器人。此外,通过自主反馈和精准的运动策略,自然界的动物可以表现出独特的能力,如蛇的爬行和鱼的游动,这些行为可以使动物更好地适应复杂多变的生活环境。此外,自然界中的很多植物能够对多种刺激进行反应,如凤仙花花荚的自动播种、含羞草的应激反应等,这些植物为刺激响应型仿生微型机器人提供了参考。生物的动态适应性启发了研究者制造出能够模拟类似运动的仿生机器人,其中基于智能材料水凝胶的刺激响应型微机器人是一个热门的新兴领域,在过去的几年里受到越来越多的关注。与传统的刚性微机器人不同,基于水凝胶的微机器人具有灵活且微小的身体,因此更能实现复杂灵活的运动,且环境对其的约束更少。本文提出多种基于水凝胶制造的仿生微型机器人,可以在多物理场驱动下实现不同的运动形式及多功能应用。具体成果如下:（1）利用COMSOL仿真软件探究了紫外光固化的机理仿真及影响因素。实现了PNIPAM水凝胶的可控配制,探索出使其达到最佳变形性能的原料比例和厚度。（2）基于紫外光固化平台制作了PNIPAM水凝胶微型机器人,通过控制光掩模的灰度分布,实现PNIPAM水凝胶的可编程性变形。通过添加CNTs,赋予PNIPAM光响应性能。以PNIPAM/CNTs复合材料为原料,造出仿生蛇微型机器人,在光驱动下复现了蛇的两种运动形式。根据蛇形机器人的形态特征和运动特性,开发出多种应用。（3）制备了具有光热特性和磁响应性的PDMS/GO/FeO复合材料,通过磁颗粒辅助成型技术制成多足微型机器人。利用COMSOL仿真软件探究了由3D亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场和旋转磁场的磁场强度分布。通过控制3D亥姆霍兹线圈的参数实现了多足微机器人的可编程性运动。得益于多足微机器人巨大的体表面积,其表面可以锚定大量药物,在外界磁场的驱动下,在胃模型中实现靶向给药。（4）基于PNIPAM/CNTs/FeO复合材料制成厚度为200μm的仿生鱼形机器人。通过改变光照位置可控制机器人的运动方向,在外部磁场和化学场的驱动下,该机器人可以穿越水下孔洞、翻越障碍物。受化学驱动鱼形机器人的启发制造出化学驱的微型转子,通过控制施加化学燃料的位置不同可以分别实现转子的顺时针、逆时针转动。（5）基于PDMS/GO/FeO复合材料制成仿生豉甲虫微型机器人,具有疏水性、亲油性、磁性和光热转换特性。当GO含量为35%时,该复合材料达到最大疏水性能,导致微型机器人漂浮在水面。用激光照射微型机器人边缘,GO吸收光能并将其转换成热能,引发Marangoni效应,驱动微型机器人的运动,通过控制光照位置可以改变机器人的运动方向。此外,通过在机器人边缘施加化学燃料,同样引发Marangoni效应,驱动机器人的运动。基于该机器人的磁性和亲油性,通过外部磁场的控制,将其用于回收水体表面的废油。（6）制作了基于双层结构制成的微型抓手,表面的CNTs赋予抓手光刺激响应性,通过控制光照有无,实现微型抓手抓取、释放物体。此外,基于PNIPAM/CNTs复合材料光固化而成的圆柱体结构,在光照射下可以向360°转动,可以用于模拟海葵柔软且灵活的花茎。将微型抓手和仿生花茎结合制成的仿生海葵可以在光、磁驱动下模拟海葵在水中的多种形态。

关键词：多物理场驱动紫外光固化微型机器人智能运输靶向给药

抗体工程化微型机器人清除水中新型冠状病毒的研究

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集成技术 2024年第1期13卷 96-105页

作者：石敏陈泽潘宏郑明彬梁锐晶蔡林涛中国科学院深圳先进技术研究院深圳518055 中国科学院大学北京100049 深圳市第三人民医院深圳518112

由于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型(简称“新型冠状病毒”)(SARS-CoV-2)可在水中保持长时间的稳定性和高度传染性,因此,清除水中的新型冠状病毒成为遏制及阻断其传播的重要途径。该研究采用“点击化学”反应将新型冠状病毒S蛋白的... 详细信息

由于严重急性呼吸系统综合征冠状病毒2型(简称“新型冠状病毒”)(SARS-CoV-2)可在水中保持长时间的稳定性和高度传染性,因此,清除水中的新型冠状病毒成为遏制及阻断其传播的重要途径。该研究采用“点击化学”反应将新型冠状病毒S蛋白的中和抗体P2C-1F11修饰在具有自驱动特性的枯草芽孢杆菌表面,构建了一种抗体工程化微型机器人(antibody functionalized bacteria microrobot,AB-robot)。AB-robot通过P2C-1F11对新型冠状病毒S蛋白的高效靶向作用,对水中新型冠状病毒进行捕获和清除。结果表明,AB-robot在饮用水和自来水等水介质中展示了快速的自驱动能力。以新型冠状病毒假病毒为病毒污染物模型,使用AB-robot后,水介质中病毒清除率高达95%。扫描电镜表征结果显示,AB-robot表面结合了大量的病毒颗粒,进一步表明AB-robot能高效捕获病毒。综上,AB-robot的快速运动和病毒靶向性能促进了其对新型冠状病毒假病毒的即时捕获和高效清除,对防止和阻断水中新型冠状病毒的传播具有重要应用价值。

关键词：新型冠状病毒微型机器人中和抗体枯草芽孢杆菌病毒清除

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最小、最轻、最快的微型机器人来了

自然杂志 2024年第2期46卷 87-87,129页

作者：吴玉(编译) 不详

春夏之际的池塘里,总能看到长着6条大长腿的“大蚊子”趴在水面上。一受惊,它们就施展“水上漂”“凌波微步”等绝世神功,快速跑掉。这种“大蚊子”叫水黾,是一种常见的小型水生昆虫,它们在水面张力的支持下以每秒1米多的速度滑行。受... 详细信息

春夏之际的池塘里,总能看到长着6条大长腿的“大蚊子”趴在水面上。一受惊,它们就施展“水上漂”“凌波微步”等绝世神功,快速跑掉。这种“大蚊子”叫水黾,是一种常见的小型水生昆虫,它们在水面张力的支持下以每秒1米多的速度滑行。受水黾启发,美国华盛顿州立大学的研究人员研发出两款微型机器人--MiniBug和WaterStride,它们是迄今最小、最轻、最快的全功能微型机器人。研究团队在IEEE机器人与自动化学会日前召开的智能机器人与系统国际会议上表示,这类微型机器人有望用于人工授粉、搜救、环境监测、微型制造或外科手术等领域。

关键词：微型机器人自动化学会智能机器人 Bug 美国华盛顿州外科手术环境监测研究团队

基于组合权重的微型机器人可靠性分配方法研究

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制造业自动化 2022年第2期44卷 93-97页

作者：伍建军杨钥姣王振飞江西理工大学机电工程学院赣州341000

考虑微型机器人各子系统之间可靠度的协调性和传统机械系统可靠性分配的局限性问题,提出一种新组合赋权方法。该方法通过属性层次法和标准离差法分别计算主观、客观权重值,引入矩估计理论,建立主客观权重的最小偏差函数,从而获得可靠性... 详细信息

考虑微型机器人各子系统之间可靠度的协调性和传统机械系统可靠性分配的局限性问题,提出一种新组合赋权方法。该方法通过属性层次法和标准离差法分别计算主观、客观权重值,引入矩估计理论,建立主客观权重的最小偏差函数,从而获得可靠性分配最优组合权重值。实例表明,与传统机械可靠性分配方法相比,引入矩估计理论的新组合赋权方法能克服传统分配的不合理问题,避免微型机器人各子系统出现可靠性"薄弱"和"局部过剩"的情况,结果也验证了该方法的有效。

关键词：微型机器人可靠性分配属性层次法标准离差法矩估计理论

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梯度磁导航微型机器人设计与运动仿真

磁性材料及器件 2024年

作者：张海军文鑫彬郭季湖北文理学院汽车与交通工程学院

针对目前大部分微型机器人本体都含有电源及驱动装置结构，导致设计空间受限且存在安全风险等问题，设计了一套磁导航微型机器人驱控系统；在麦克斯韦功能线圈产生的梯度磁场作用下，对微型永磁体的受力原理进行了理论分析，得到影响微... 详细信息

针对目前大部分微型机器人本体都含有电源及驱动装置结构，导致设计空间受限且存在安全风险等问题，设计了一套磁导航微型机器人驱控系统；在麦克斯韦功能线圈产生的梯度磁场作用下，对微型永磁体的受力原理进行了理论分析，得到影响微型永磁体受力状态的磁场特性; 利用软件ANSYS Maxwell进行有限元建模和磁场特性仿真，获得三维的均匀梯度功能磁场; 通过磁控微型机器人装置的实物设计和ANSYS Maxwell有限元仿真对微型永磁体受力及运动特性进行了验证。结果表明：通过控制线圈电流大小和方向，可以改变微型机器人的受力状态，采用外驱梯度功能磁场可以实现内部微型永磁体的灵活驱动与控制。

关键词：微型机器人麦克斯韦线圈永磁体三维梯度磁场有限元方法控制

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基于隔振结构的微型振动机器人设计与实验

传感器与微系统 2024年第6期43卷 64-68页

作者：陈波甘中学欧阳春周子清复旦大学工程与应用技术研究院上海200433

为了增强振动机器人的运动性能,设计了一种基于隔振结构的振动驱动机器人。该机器人结构主要由机器人主体、隔振结构和驱动足组成。首先,设计了2种不同的隔振结构,通过理论分析进行对比;然后,介绍了振动驱动的运动原理,由振动电机产生... 详细信息

为了增强振动机器人的运动性能,设计了一种基于隔振结构的振动驱动机器人。该机器人结构主要由机器人主体、隔振结构和驱动足组成。首先,设计了2种不同的隔振结构,通过理论分析进行对比;然后,介绍了振动驱动的运动原理,由振动电机产生的离心力进行驱动;最后,制作了振动机器人样机并且进行了实际测试,通过对机器人的直线运动、旋转运动、不同地形上的运动、越障和负载进行测试,对隔振结构进行了性能对比,选取了性能更加优越的Z型隔振结构,同时对机器人的性能进行了评估,它在玻璃上的最大速度为181.34 mm/s,能够承载高达300 g的负载,这说明了所设计的隔振结构的有效性,为振动机器人的设计提供了新的思路。

关键词：微型机器人移动机器人振动驱动隔振结构

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磁控式小型化医疗机器人研究综述与展望

机械工程学报 2024年

作者：秦岩丁蔡卓丛申亚京韩建达香港科技大学电子与计算机工程系南开大学人工智能学院南开大学深圳研究院智能技术与机器人系统研究院

磁控式小型化医疗机器人能够被外部磁场隔空控制，在人体狭窄腔道内主动运动，检查并治疗人体深层的病变区域，在临床医疗领域具有巨大的潜力。根据尺度不同，磁控式小型化医疗机器人可分为厘米毫米尺度的胶囊机器人、毫米微米尺度的连... 详细信息

磁控式小型化医疗机器人能够被外部磁场隔空控制，在人体狭窄腔道内主动运动，检查并治疗人体深层的病变区域，在临床医疗领域具有巨大的潜力。根据尺度不同，磁控式小型化医疗机器人可分为厘米毫米尺度的胶囊机器人、毫米微米尺度的连续体机器人、微米纳米尺度的微型机器人。系统总结各自磁控原理、结构设计和潜在医疗应用，并综述最新研究进展。最后，展望磁控式小型化医疗机器人的未来研究方向，包括机器人材料的生物相容性，执行医疗任务的视觉反馈，多种医疗功能集成的小型化，运动控制的稳定性和鲁棒性。

关键词：磁控式医疗机器人胶囊机器人连续体机器人微型机器人

微型胶囊机器人外壳的淹没式空化射流成形质量分析

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精密成形工程 2024年第6期16卷 201-208页

作者：李富柱陈世建王匀何培瑜朱聪郭玉琴江苏大学机械工程学院江苏镇江212000

目的针对微型胶囊机器人外壳成形的技术难题,提出了一种基于淹没式空化射流冲击箔材的微型机器人外壳成形方法,分析了微型外壳的成形质量。方法基于微型胶囊机器人外壳的特征尺寸设计模具,利用淹没式空化射流试验装置,完成了对T2铜箔的... 详细信息

目的针对微型胶囊机器人外壳成形的技术难题,提出了一种基于淹没式空化射流冲击箔材的微型机器人外壳成形方法,分析了微型外壳的成形质量。方法基于微型胶囊机器人外壳的特征尺寸设计模具,利用淹没式空化射流试验装置,完成了对T2铜箔的高能冲击成形试验,分析了淹没式空化射流的成形原理,讨论了微型外壳的成形深度、表面粗糙度、厚度减薄率以及纳米硬度。结果在空化射流冲击成形过程中,微型外壳成形深度的增长率随成形时间的延长而减小,最大成形深度可达291.4μm(模具最大深度为300μm);成形后微型外壳表面粗糙度Ra值由0.7897μm逐渐增加至1.0576μm,厚度减薄率为10%~25%,纳米硬度提高了21.78%~46.64%,最大硬度增长率出现在刃口处。结论在淹没式空化射流成形过程中,微型外壳的成形深度与模具的相当,微型外壳表面存在小幅度粗化现象,成形后减薄率降低,纳米硬度大幅提高,抵抗外界破坏能力提高。

关键词：微型机器人外壳淹没式空化射流塑性成形成形质量

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基于压电陶瓷驱动的腹腔手术微型机器人关节驱动部件研究

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机器人 2003年第4期25卷 335-338页

作者：马记吴月华许旻杜华生杨杰中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥230027

本文简要介绍了一个基于压电陶瓷驱动的腹腔手术用微型机器人系统 ,重点叙述了微型机器人关节驱动部件的结构设计方案及其实现 ,对所设计的柔性铰链进行了定量力学分析 ,并通过实验证明采用柔性铰链来实现驱动位移的放大是确实可行的 .

关键词：微型机器人压电陶瓷柔性铰链