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          機械學院課題組刊發論文,創新性提出持續自主運動的電驅動液晶彈性體費曼軟體機器人

          發布時間:2024-01-25 瀏覽量:

          受費曼工作(The Feynman Lectures on Physics)啟發,近日,江蘇大學徐琳教授、丁建寧教授與美國科羅拉多大學博爾德分校弗蘭克·韋爾內瑞教授合作報告了一種基于液晶彈性體輻條的非對稱收縮來旋轉運動的費曼軟體機器人,創新性地實現了無需控制電源周期性開關即可進行持續自主運動的電驅動液晶彈性體軟體機器人。該研究以“Programming motion into materials using electricity-driven liquid crystal elastomer actuators”為題發表在國際著名期刊《軟體機器人》(Soft Robotics)上。江蘇大學機械工程學院為該論文的第一單位,研究生朱陳和塞繆爾·拉蒙特為共同一作。

          圖1. 液晶彈性體驅動機理與Feynman軟體機器人結構

          圖2. Feynman車輪軟體機器人持續運動機制

          Feynman車輪軟體機器人運動展示

          智能材料變形驅動是集材料、力學、生物學等多學科的交叉前沿研究熱點。液晶彈性體(Liquid crystal elastomers,LCEs) 作為能夠產生大的可逆驅動應變的智能柔性彈性體材料,通過設計含有各向異性剛性介晶單元的聚合物網絡結構,在外界刺激下(光、熱、電等) 使其達到相轉變溫度時,引發由液晶態(有序)向各向同性態(無序)轉變的鏈段運動,進而表現為宏觀結構程序化變形。液晶彈性體材料類似于自然界生物體在多種外界刺激下自我調節的特性,在開發智能仿生設備和構建軟體機器人系統中擁有巨大的應用前景?;谝壕椥泽w輻條的非對稱收縮,可直接從穩定的外部電源獲取能量以維持軟體機器人的連續旋轉運動,這一設計理念有望啟發其他軟體機器人智能材料與智能結構的多元集成,代表著自主運動的軟體機器人設計向前邁進了可喜的一步。

          研究還闡述了基于LCE-LM電驅動器的一些其他有趣的應用。如圖3所示,研究人員構建了手掌可動(5 mm~ 55 mm)的雙向驅控的柔性夾持器,在 2 A 至 4 A 的低電流刺激下,可以精確外夾或內撐抓取如文件夾、螺釘、燒杯和環形工件等異形物品,解決了傳統外夾式單向驅動的液晶彈性體柔性夾持器受其驅動結構的制約,難以精確抓取異形環形等工件,應用潛力受到限制的問題。值得注意的是,夾持器可保留97%水重量下夾持吸水海綿,在柔性異形敏感物品的抓取中展現出優勢。

          圖3. 用于柔性異形操縱的雙向驅控夾持器

          用于柔性操縱的液晶彈性體夾持器

          受控驅動的定向運動是開發能夠自主運動的軟體機器人的基礎。受果蠅幼蟲運動的啟發,研究提出了可通過連續的通電和斷電循環誘導其定向爬行的液晶彈性體軟體機器人,軟體機器人定向移動的原理基于足部不對稱設計造成的各向異性摩擦,機器人柔性基底材料的表面粗糙度、硬度和幾何形狀對摩擦特性的影響機制在團隊2022年發表的工作中已有闡述。

          研究還發現,軟體機器人的水平運動可以顯示為與前足與后足之間的法向力差成正比,可以通過優先考慮該法向力的巨大不平衡以優化機器人的幾何設計。在此基礎上優化的軟體機器人自重僅1.9 g,通過獨立驅動左右“液晶彈性體肌肉”,轉向機器人在低電流的驅動下可在平坦和傾斜的表面上實現轉彎半徑(70~150 mm)的精準控制(圖4)。

          圖4. 仿生爬行軟體機器人

          該工作得到了國家自然科學基金、江蘇省自然科學基金和機械系統與振動全國重點實驗室開放基金等項目的支持。(機械工程學院)

          文章鏈接:https://doi.org/10.1089/soro.2023.0063

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