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“智能泡沫”成機(jī)器人皮膚新材料:能感知你的手,壞了還會(huì)自我修復(fù)

智東西 2021/7/12 14:47:35 責(zé)編:遠(yuǎn)洋

7 月 12 日消息,近日,據(jù)路透社報(bào)道,新加坡研究人員開(kāi)發(fā)了一種智能泡沫材料(smart foam material),可以讓機(jī)器人感知附近的物體,并在損壞時(shí)自我修復(fù),就像人類皮膚一樣。

這種智能泡沫被稱為 AiFoam(Artificially innervated foam),是一種高彈性聚合物(elastic polymer),由含氟聚合物(fluoropolymer)與降低表面張力的化合物(compound that lowers surface tension)混合而成。新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員稱,這使得 AiFoam 在受到切割時(shí)很容易融合成一塊(自我修復(fù))。

▲ AiFoam

該研究論文題目為《人工神經(jīng)支配的自愈泡沫作為合成壓電阻抗傳感器皮膚(Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins)》,該研究成果已于 2020 年 11 月在 Nature Communications 雜志上發(fā)表。

論文鏈接:

https://www.nature.com/articles/s41467-020-19531-0

一、智能泡沫材料制作步驟多,調(diào)配困難

智能泡沫這種新材料雖然功能很強(qiáng)大,但制作起來(lái)可是相當(dāng)有困難。不信你看著步驟:

1. 需要將含氟表面活性劑 (Zonyl FS-300) 放在 70 °C 的烘箱中干燥。

2. 將兩克聚(偏二氟乙烯)-共六氟丙烯(PVDF-HFP)(3M)溶解在丙酮中并攪拌至少 4 小時(shí)。

3. 向溶液中加入 1.7ml 含氟表面活性劑并攪拌 24 小時(shí)。

4. 將 46 微升 1,3-二氨基丙烷 (DAP) 滴加到攪拌溶液中,在反應(yīng) 30 分鐘后,溶液將變成淡黃色。

5. 將 μN(yùn)i 微粒添加到溶液中,并使用 SpeedMixer (FlackTek) 在 2500 rpm 下將溶液混合 2.5 分鐘。

6. 將混合物澆鑄到 2.5×5×0.2cm 的玻璃模具(寬 × 長(zhǎng) × 高)中。

7. 然后將材料置于加熱板上,在 70°C 下加熱 30 分鐘,通過(guò)蒸發(fā)丙酮來(lái)自發(fā)泡。

8. 為了交聯(lián)聚合物,將材料加熱至 120 °C 并保持 30 分鐘。

通過(guò)加熱攪拌再加熱的復(fù)雜程序,智能泡沫就做好了,制作方法是真的很困難呢!

▲ 制作 AiFoam

二、被破壞后能自愈合,還能被拉伸近兩倍

受人類體感神經(jīng)支配結(jié)構(gòu)(architecture of the human somatosensory innervations)的啟發(fā),團(tuán)隊(duì)提出了一種新結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使用三維金屬線電極(three-dimensional (3D) metal wire electrodes)作為“神經(jīng)”,嵌入到低模量(low-modulus)的自愈泡沫中。與其他基于泡沫的傳感器相比,團(tuán)隊(duì)合成的自修復(fù)泡沫材料僅有 600kpa 的低模量(低模量的拉伸模量 MPa≤0.4 或≤0.6),并且具有彈性,可為接觸力傳感器提供恢復(fù)力。

據(jù)研究人員介紹,“在四天內(nèi)將其加熱至 70 攝氏度,該材料愈合了大約 70%,并且仍可以拉伸到其長(zhǎng)度的幾乎兩倍(180%)?!?/p>

▲ AiFoam 能夠自愈合

三、模擬“人類的觸覺(jué)”,使得互動(dòng)更加智能

為了復(fù)制人類的觸覺(jué),研究人員在這種材料中注入了微小的金屬顆粒,并在泡沫表面下方添加了微小的電極。當(dāng)施加壓力時(shí),金屬顆粒在聚合物基體中靠攏,改變了它們的電性能(electrical properties)。新加坡國(guó)立大學(xué)的 Benjamin C.K. Tee 教授表示,這些變化可以通過(guò)計(jì)算機(jī)的電極檢測(cè)到,然后發(fā)出指令告訴機(jī)器人該做什么。

“當(dāng)我將手指移到傳感器附近時(shí),您可以看到傳感器正在測(cè)量我的電場(chǎng)變化,并對(duì)我的觸摸做出相應(yīng)的響應(yīng),”他說(shuō)。此功能使機(jī)器人的“手”不僅可以檢測(cè)到力的大小,還可以檢測(cè)到受力方向,從而可能使機(jī)器人更加智能和互動(dòng)。

▲ 測(cè)試 AiFoam 的“觸覺(jué)”

四、團(tuán)隊(duì)希望該材料在五年內(nèi)投入使用

Benjamin C.K. Tee 表示,AiFoam 是同類產(chǎn)品中第一個(gè)將自愈特性(self-healing properties)、近距離感應(yīng)(proximity)和壓力(pressure)感應(yīng)相結(jié)合的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)兩年多的開(kāi)發(fā),他和他的團(tuán)隊(duì)希望這種材料能在五年內(nèi)投入實(shí)際使用。

據(jù)了解,團(tuán)隊(duì)希望將 AiFoam 應(yīng)用于機(jī)器人和假肢等領(lǐng)域,以實(shí)現(xiàn)人機(jī)之間更多交互的可能性。

▲ 使用 AiFoam 的機(jī)器人手臂

結(jié)語(yǔ):AiFoam 為機(jī)器人的智能化和互動(dòng)性提供了更多可能

AiFoam 通過(guò)模擬人類的觸覺(jué)實(shí)現(xiàn)了對(duì)周圍環(huán)境的高感知,而材料特有的自我修復(fù)特性以及對(duì)接觸力的敏感性,將使機(jī)器人能更好地判斷人類的意圖。

使用該材料研發(fā)的新一代的機(jī)器人,將有可能對(duì)環(huán)境變化做出更快速、更有效的反應(yīng)。

目前,科學(xué)家研究的機(jī)器人皮膚主要分為兩個(gè)方向。一個(gè)方向是外觀,將機(jī)器人皮膚創(chuàng)作的近似人類皮膚,例如柔性彈性水凝膠的應(yīng)用,使得機(jī)器人的皮膚能夠在受到壓力下出現(xiàn)淤青。另一方面是感知能力,例如 AiFoam 的材料,能夠賦予機(jī)器人的“觸覺(jué)”,從而讓他們能更智能的互動(dòng)。

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