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一个微型猪鬃机器人显示在一个美国硬币旁边进行尺寸比较。乔治亚理工学院
一个微型猪鬃机器人显示在一个美国硬币旁边进行尺寸比较。乔治亚理工学院

摘要:
研究人员创造了一种新型的微型3D打印机器人,通过利用压电驱动器的振动来移动。超声波源,甚至是微型扬声器。成群结队的这些“微型鬃毛机器人”可能一起工作来感知环境变化,移动材料-或者可能有一天修复人体内的损伤。

微小的振动驱动机器人是世界上最小的蚂蚁。

亚特兰大,Ga 7月19日发布,2019年

原型机器人根据其配置对不同的振动频率做出响应,允许研究人员通过调整振动来控制单个机器人。大约两毫米长——大约是世界上最小的蚂蚁的大小——尽管它们的体积很小,但它们一秒钟内可以覆盖四倍于自身长度的区域。

“我们正在努力使技术更加强大,我们有很多潜在的应用,”Azadeh Ansari说,佐治亚理工学院电气与计算机工程学院助理教授。“我们在力学的交叉点工作,电子设备,生物学和物理学。这是一个非常丰富的领域,多学科的概念有很大的空间。”

一篇描述这种微型猪鬃机器人的论文已被接受发表在《微机械与微工程杂志》上。这项研究得到了佐治亚理工学院电子和纳米技术研究所的种子资助。除了安萨里,研究小组包括乔治W。伍德拉夫机械工程学院副教授军义达和研究生金德育和郝志坚(克里斯)。

这种微型猪鬃机器人由一个压电执行器组成,压电执行器粘在一个聚合物主体上,该聚合物主体使用双光子聚合光刻技术(TPP)进行3D打印。执行器产生振动并由外部供电,因为没有足够小的电池适合机器人。振动也可以来自机器人移动表面下的压电振动筛,来自超声波/声纳源,甚至是一个小型的声学扬声器。

振动使弹性腿上下移动,推动微型机器人前进。每个机器人都可以根据腿的尺寸来设计,以响应不同的振动频率。直径,设计和整体几何。振动的振幅控制着微型机器人的移动速度。

“随着微型猪鬃机器人上下移动,通过优化腿的设计,将垂直运动转化为方向运动。看起来像猪鬃,”安萨里解释说。“微型机器人的腿被设计成特定的角度,使它们能够弯曲并向一个方向移动以响应振动。”

微型猪鬃机器人是在使用TPP工艺的3D打印机中制造的。聚合单体树脂材料的技术。一旦被紫外线照射的树脂块部分发生化学反应,剩下的可以冲走,离开所需的机器人结构。

“这是书写而不是传统的平版印刷术,”安萨里解释说。“你只剩下用激光在树脂材料上书写的结构。这个过程现在需要很长时间,因此,我们正在研究如何将其规模扩大到一次可以制造成百上千个微型机器人,“有些机器人有四条腿,其他人有六个。第一作者DeagyuKim做了数百个微小的结构来确定理想的结构。

压电驱动器,采用锆钛酸铅(PZT)材料,施加电压时振动。相反,它们也可以用来产生电压,当它们振动时,微鬃毛机器人在受到外部振动的驱动时,可以用来给机载传感器供电。

Ansari和她的团队正致力于通过将两个稍有不同的微型鬃毛机器人连接在一起,为机器人增加转向能力。因为每个连接的微型机器人都会对不同的振动频率做出响应,这种组合可以通过改变频率和振幅来控制。“一旦你有了一个完全可操纵的微型机器人,你可以想象做了很多有趣的事情,”她说。

其他研究人员已经研究了利用磁场产生运动的微型机器人,安萨里指出。虽然这对同时移动整个蜂群很有用,磁力不容易被用来解决群体中单个机器人的问题。安萨里和她的团队发明的微型鬃毛机器人被认为是由振动驱动的最小的机器人。

微型猪鬃大约有两毫米长,1.8毫米宽,0.8毫米厚,体重约5毫克。3D打印机可以生产更小的机器人,但是随着质量的降低,微小装置与表面之间的粘附力会变得非常大。有时候,微型机器人不能与用来抓取它们的镊子分开。

Ansari和她的团队已经建立了一个“操场”,当研究人员进一步了解他们可以做什么时,多个微型机器人可以在其中移动。他们还对开发能够跳跃和游泳的微型机器人感兴趣。

“我们可以观察蚂蚁的集体行为,例如,把我们从他们身上学到的知识应用到我们的小机器人身上,”她补充道。“这些微型鬃毛机器人在实验室环境中行走自如,但在他们走出去进入外部世界之前,我们还需要做很多事情。”

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微机器人制造在乔治亚电子和纳米技术研究所进行,国家纳米技术协调基础设施成员,这是由国家科学基金会通过资助ECS-1542173支持。

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引文:Deagyu Kim,郝志坚,Ueda和Azadeh Ansari,“一种由双光子光刻技术制造的5毫克微鬃毛机器人”(《微观机械与微工程杂志》,2019年:

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