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《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人导读

小时候读叶圣陶老先生的《爬山虎的脚》,不自然的就会被自然界的鬼斧神工所吸引。柔弱的藤本植物本身没有脚,却靠着在茎上伸出的六七根细丝,以及细丝前面类似蜗牛的触角,硬生生达到了攀爬墙壁的效果。而这类触须,不仅吸引了国内的大文学家,同样也吸引了国外的机器人科学家们。最近来自意大利技术研究院(IIT)研究人员为我们带来了全新的软体机器人驱动设计方案,并成功的刊登在了顶级期刊《Nature》上。这个方案在原理上与藤本植物的触须运动(并不完全类似爬山虎的脚)几乎完全相同。

作者:风雨抚蕖

 

在最新的Nature Communications电子杂志上,来自意大利技术研究院的研究人员发表了一篇题为《基于可逆渗透致动的可变刚度卷须状软机器人》的论文,向我们展示了世界上第一个模仿植物卷须的软机器人,为软体机器人的驱动研发带来了全新的思路。

 

论文传送门:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08173-y

 

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

这款软体机器人的驱动设计灵感完全来自于植物中的水运输。也完全模仿了植物水分运输的原理,目前已经能够像植物一样进行简单的卷曲和攀爬

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

众所周知,自然界的植物在一定程度上会发生肉眼可见的运动,这些运动远不仅是因为植物的生长而发生,其中很大程度是依赖于植物中的渗透压调节机制来控制,这正是植物运动和水运输的重要机制。

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

简单的来说,渗透压指的是溶液中溶质微粒对水的吸引力,其大小取决于单位体积溶液中溶质微粒的数目,数目越多渗透压越大,对水的吸引力也就越大。


对于植物而言,
植物细胞的细胞膜可以通过控制细胞内液和细胞外液的离子(也就是微粒)浓度进而控制细胞的形态,例如,如果细胞内液浓度高于外液,细胞就会不断的吸收外部的水分,这样细胞就会越变越大,这样细胞的形态就发生了改变,通过众多的细胞合力,最终在肉眼上呈现出来的就是植物的运动。

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

但是,看似简单的细胞膜是极其复杂的膜系统

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

所以,IIT采取了另一个方案,用半透膜来代替细胞膜,虽然半透膜无法控制离子的进出,但是却可以保证在水分透过时部分离子不透过。这时研究人员通过在膜的一侧安置电极,通电时就能吸附溶液中的离子,这样电极一侧的溶液浓度就会下降,另一侧浓度不变,膜两侧由此产生的渗透压就会使得水流入电极一侧,使得两侧的体积发生变化。

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

这其中电吸附作用是可逆调节渗透物浓度的关键机制,为此研究人员选择了高比表面积活性炭布电极(ACCE)。这是因为它有着较好的分层结构,结合多孔碳提供的大比表面积,可以产生较大的总电容,进而在通电时容纳大量的离子,这样产生的渗透压可以带来足够明显的形变。断电时,测试表明,吸附的离子有90%能都回到溶液中,这样就使得软体机器人能够在断电后尽可能恢复原样。

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

除此之外,研究人员还需要进行数学建模,计算由上述液压原理驱动的软机器人应该有多大的“力”,以避免太慢的运动。

 

然后,研究人员选用了柔性的PET管制成了软体机器人,其中包含带电粒子(离子)的液体。通过使用1.3伏电池,这些带电粒子被吸引并固定在卷须底部的柔性电极表面上,

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

当要恢复原样时,就可以将电池断开。通过这样的设计,与植物一样,研究人员最终实现了软体机器人的有效驱动,使得软体机器人像植物一样运动。

 

《Nature》子刊发布,IIT科学家模仿“植物的触须”,打造可逆渗透致动的仿生软体机器人

 

虽然这个机器人目前只能进行一些简单的运动,似乎没有什么用处,但是这项技术凸显了对植物进行仿生的巨大技术潜力,突出了植物仿生在开发生物相容性材料和电安全的软机器人方面的潜力。

 

在接下来的研究里,研究人员希望为卷须软体机器人设计一个管理系统,使得机器人能够适应周围环境,识别它所附着的表面,或它所锚定的支撑物,最后实现像真正的攀缘植物一样的“生长”。

发布者:乌云研习社,转转请注明出处:https://www.aiwuyun.net/archives/6940.html

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