纸张机器人 触摸温柔有力

   日期:2012-02-16     来源:麻省理工    评论:0    
核心提示:硅酮密封纸张,在纸张一面的硅酮内,交织出微小的空气通道。空气抽入这些的通道,就会使这一面的胶状物质膨胀,从而使纸张弯曲。

  这些廉价的机器人可以拉伸、弯曲和扭曲,进行控制,可以举起的物体是自身重量的120倍。它们是柔软的,可以施加温柔均匀的压力,而且可以适应不同的表面。

  这些机器是用纸张制成,依靠空气驱动,发明者是哈佛大学

  事实上,纸可以弯曲,但不能拉伸,这就是关键,这是个了不起的发明,刊登在2012年2月1日的《先进功能材料》(AdvancedFunctionalMaterials)杂志上,题为《弹性折纸:可编程的纸张弹性体复合材料作为气动致动器》(ElastomericOrigami:ProgrammablePaper–ElastomerCompositesasPneumaticActuators)。

  在乔治•怀特赛德斯(GeorgeWhitesides)教授领导下,研究人员把纸张密封在不透气的弹性材料中,这种材料源自硅酮(silicones),有时也称为硅橡胶。在纸张的一面,硅酮交织出微小的空气通道。空气抽入这些通道,称为充气网络装置(PneuNets),会使那一面的胶状物质膨胀,从而迫使纸张弯曲。博士后研究员拉美西斯•马丁内斯(RamsesMartinez)把这种结构比喻成气球,“当气球部分的结构扩大时,它不会成为圆球形,就像孩子们的气球那样,而是形成更复杂的形状,这是因为纸张所产生的限制。”

  事实上,相当复杂的形状和运动都可以创造出来,只需要简单地改变充气通道模式,也要有一种折纸工艺,研究人员把它比作折纸手工(origami)。“这些方法我们已经开发出来,惊人地简单,因为那些复杂的运动都是它们产生的。一旦我们明白了这些材料的使用,就可以明白最好的制造工艺,以及那种设计效果最好。”

  这些致动器,科学家们就是这样称这些设备,它们移动或改变形状,可以响应一些输入,它们是运动的机器人部件。在他们《先进功能材料》上的论文中,研究人员举例说明收缩的致动器,(下面的视频显示了一个蠕虫状致动器,但也有一些类似纸灯笼,如图所示),拉长的致动器,以及褶波波纹管。一个波纹管本身只有8.2克,但显示可以举起1公斤的重量,如图所示(见到下面的图片)。要进一步限制这些运动,可以胶合折叠,或用纸条绑在一起,这可能会导致形状转弯或扭曲,因为它会膨胀。这些科学家们取得的灵感,来自运动的海星、蠕虫和鱿鱼,但是,采用的是气动和压缩空气,而不是肌肉。

  论文讨论,使用的是涤纶/纤维素纸,以及强韧的硅氧烷(siloxane)弹性体(elastomer),称为降解塑料(Ecoflex),但是怀特赛德斯教授和他的研究小组也用其他一些材料,如棉布,纤维,尼龙或金属网,用作非拉伸基质。生产很简单:用模具在弹性体上制成充气通道,然后,把弹性体粘到用弹性体浸泡过的纸上。压缩空气泵入通道,需要一个小阀门。另外,要进行波纹管式操作,就要把褶皱纸筒浸泡在弹性体中,纸气缸上部有盖子,抽空气进入纸气缸的中心。条状弹性体连接盖子,确保纸可以完全恢复原来的形状和大小,只需要排出空气。

  折纸术伸缩致动器,自身重8克,可举起1公斤的标准重量。

  这项工作结合了怀特赛德斯教授以往经历过的“湿软”机器人,就是使用硅基材料和气动激活,也结合了他开发的纸,可以支持微小的低成本微流体分析设备。

  马丁内斯博士热衷于未来的纸张机器人,“我们希望,这些结构可以开发出人类的助手。不同于各种机器型机器人,这些机器人用于装配生产线,设计得非常坚硬和快速,但它们也非常危险,因为人们要在周围,进行操作,而这些致动器更“人性化”。因此,它们可提供“额外的手指或手”,协助外科医生,或处理容易损坏的结构,如鸡蛋或水果。“用于救灾,高性能机器导航复杂的路径,也进行了设想。把这样的东西加装为光源,或作为金属丝进行导电,潜在应用可大大拓宽。

 
  
  
  
  
 
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