柔性電子與液滴結(jié)合 讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“72變”

基于液滴和柔性電子技術(shù)的液態(tài)全柔性智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)成

天津大學(xué)供圖

《西游記》中孫悟空“72變”化身小蟲，鉆到妖怪肚子里大顯身手的故事，表現(xiàn)了古人對于微觀世界的大膽創(chuàng)想。近日，天津大學(xué)精儀學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)全球首個液態(tài)全柔性智能機(jī)器人，能“72變”的“血管醫(yī)生”讓神話成為現(xiàn)實(shí)。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際工程和自然科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《尖端科學(xué)》，并得到國家自然科學(xué)基金和天津自然科學(xué)基金等支持。

目前軟體機(jī)器人存在“硬傷”

如今機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，有一類機(jī)器人可以根據(jù)所處的地理環(huán)境，自由改變其結(jié)構(gòu)和外觀，具有運(yùn)動能力、變形能力和傳感測量能力，這類機(jī)器人被稱為無定形軟體機(jī)器人。

“這類機(jī)器人是基于柔性電子器件所具有的超薄、柔性、可延展的類皮膚特性，利用柔性電子技術(shù)研發(fā)的微型軟體機(jī)器人，不僅可以反復(fù)改變形狀，還實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動、抓取、運(yùn)輸和觸覺感應(yīng)等功能。”黃顯教授團(tuán)隊(duì)成員、博士研究生周明行介紹，其在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域有著自己獨(dú)有的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，無定形軟體機(jī)器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)療機(jī)器人等方面有著巨大的潛力，微型軟體機(jī)器人可以通過注射方式隨血液進(jìn)入血管，借助傳感元件和包載藥物，對血液和血管進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)可控藥物釋放等功能。在安全領(lǐng)域，無定形軟體機(jī)器人能進(jìn)入人類無法進(jìn)入或者危險(xiǎn)的環(huán)境，并對環(huán)境中的物理、化學(xué)和生物等信號進(jìn)行檢測，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在排險(xiǎn)、探傷、偵查、軍事安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

“不過現(xiàn)階段，已有的或者在研的軟體機(jī)器人依然存在著一些‘硬傷’。”周明行解釋，這是因?yàn)?，目前柔性電子器件主要貼附于或者集成在有機(jī)體、機(jī)器和電子產(chǎn)品上工作，依附物往往位置固定，活動范圍受限。部分軟體機(jī)器人雖然可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、抓取、運(yùn)輸和觸覺感應(yīng)等功能，但這些功能的實(shí)現(xiàn)主要依賴于傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，還沒有做到機(jī)體和功能電路的全柔性構(gòu)造，嚴(yán)重阻礙了性能的實(shí)現(xiàn)，比如普通軟體機(jī)器人無法進(jìn)入或者通過狹窄的血管、縫隙。這就需要全柔性、無固定形態(tài)，像液體一樣的機(jī)器人出現(xiàn)，來滿足這種需求。

“智能液滴”有望成為血管醫(yī)生

怎么才能制成全柔性的機(jī)器人呢?黃顯團(tuán)隊(duì)受自然界水母、輪蟲等腔腸動物和浮游生物的啟發(fā)，利用液滴的柔軟無定形特性和柔性電子器件的超薄柔軟特性，構(gòu)建了一種全新的“智能液滴”——液態(tài)全柔性智能機(jī)器人，首次實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人運(yùn)動載體和功能測量器件的全柔性化和可編程控制。

周明行介紹，團(tuán)隊(duì)基于微納加工技術(shù)制作出超薄(厚度小于10微米，相當(dāng)于頭發(fā)絲的十分之一)多功能柔性電子器件，利用液滴浮力和表面張力等特性，將柔性電子器件懸浮于液滴表面，通過改變液滴種類和器件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在不同環(huán)境和控制條件下“智能液滴”的運(yùn)動、變形和傳感測量等功能。

這種“智能液滴”可以將電子器件投遞至目標(biāo)指定位置并完成功能組裝。周明行說：“我們通過在水液滴中摻入四氧化三鐵納米顆粒，利用磁場控制，使‘智能液滴’可以以226厘米/分鐘的速度進(jìn)行可編程化運(yùn)動。在運(yùn)動過程中，遇到細(xì)小夾縫、凸起表面時(shí)，‘智能液滴’可隨意變形通過障礙物，到達(dá)指定位置后恢復(fù)原狀。”

當(dāng)遇到需要多種功能的“智能液滴”的情況時(shí)，為了不增加整體大小，還可以把每種功能分別制作成“智能液滴”。一是這些“成員”到達(dá)指定地點(diǎn)，利用三維磁場操控，就能把它們組裝集成起來。

液滴和柔性電器器件結(jié)合是一種全新的構(gòu)建全柔性軟體機(jī)器人的思路、方法，該方法為全面實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下可獨(dú)立工作的軟體機(jī)器人奠定基礎(chǔ)。周明行表示，這種方法給時(shí)間和勞動消耗型研究帶來了便利。高通量可編程控制的特點(diǎn)，使其可應(yīng)用于基因測序、化學(xué)合成、藥物遞送和微組裝等需要精確操控和持續(xù)檢測領(lǐng)域，有望成為能進(jìn)入人體檢測治療的“血管醫(yī)生”，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 液滴 柔性電子