用户名:  密码:   
网站首页即时通讯活动公告最新消息科技前沿学人动向两岸三地人在海外历届活动关于我们联系我们申请加入
栏目导航 — 美国华裔教授专家网最新消息社区报道
关键字  范围   
 
加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人
2021/12/6 13:00:12 | 浏览:1118 | 评论:0

他是殷亚东,一名材料科学家,目前是美国加州大学河滨分校终身教授。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

其曾于 2011 年入选“全球顶尖一百化学家榜单”,同年入选“全球顶尖一百材料科学家榜单”并排名第二。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

图 | 殷亚东的谷歌学术首页(来源:谷歌学术)


如今,殷亚东团队的李志伟博士即将回国寻找教职。12 月 1 日,李志伟担任第一作者、殷亚东和明鲁相(Nosang Myung)担任通讯作者的最新论文,刚刚发表在 Science Robotics 上 [1] 。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

图 | 李志伟(来源:李志伟)

论文题为《用于自适应振动和仿生游泳的光驱动软体蒸汽机》(Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming)。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

图 | 相关论文(来源:Science Robotics)

论文中,他们以水黾为灵感,研发出一种浮游机器人,能借助可控的运动来解决现实挑战和问题。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

其中,处理污水和清理漂浮物,是已明确的应用方向。该机器人可携带化学催化剂,当它在水面自由浮游时,就能净化污染水体。也可让它装载吸油媒介,去清理水面的原油泄漏。如果以太阳光作为能量源,它可实现持续工作,并且无需额外操控。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

设计光驱动软体蒸汽机

研究中,该团队设计了一种光驱动软体蒸汽机(light-powered soft steam engine),在光照下能产生可控的振动,借此可驱动软体机器人的运动。

这种运动可主动响应外界环境比如光线强度的变化,突破了此前很多软体机器人的局限性。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

光驱动软体蒸汽机由三层聚合物薄膜组成,自上而下分别为聚酰亚胺、聚丙烯酰胺水凝胶和聚二甲基硅氧烷。

其中,上层的聚酰亚胺的热膨胀系数较小,而最下层的聚二甲基硅氧烷的热膨胀系数较大。中间的水凝胶层可用于储藏大量水分、以及包埋四氧化三铁和铜(Fe3O4/Cu)复合纳米棒,该纳米棒具有光热转换的能力。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

当受到光照射时,纳米棒可把光能转成热能,软体机器人的温度由此升高。在相同温度下,底层的聚二甲基硅氧烷的体积膨胀,要比上层的聚酰亚胺大很多,所以软体机器人首先会向上弯曲。

持续的光照会引起水的蒸发,这会在顶层和水凝胶层之间形成蒸汽泡,进而会引发聚合物薄膜的振动。这时薄膜蒸汽机就能以光为能源、水蒸汽为工作流体,以周期性振动来驱动软体机器人在水面上的浮游。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

振动产生的频率和振幅,取决于蒸汽泡的产生和释放速率,这时即可通过控制光的强度,来改变机器人的振动模式和运动方式。

比如在弱光照射下,蒸汽泡的产生很慢,这时就能观察到间断的、周期性振动。当增加光功率时,蒸汽泡的产生速率也会增加。基于此机理设计的软体机器人,可以响应外界的光强变化,并能主动改变自身振动和浮游运动模式。故此,该研究为设计可自主适应外界变化的软体机器人提供了新思路。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

机器人最快运动速度为 1.3 毫米每秒,约等于每分钟 4 个机器人身长

该研究从立项到成功,大致分为三个阶段。第一阶段是最初的结构设计、材料选择和振动机理研究。初版软体机器人采用经典双层结构,在激光照射下只能实现弯曲,无法自主振动。

为突破这一难题,论文第一作者李志伟博士在原来的结构上引入了水凝胶中间层。水凝胶的多孔结构,可储存大量水分,同时其亲水的特点,使得分散的纳米颗粒可以被包覆。

鉴于此,他们最终选用四氧化三铁和铜的复合纳米棒作为光热转换材料,原因在于铜的等离子基元效应较好,造价也更便宜,而且四氧化三铁的宽带吸收和铜纳米棒在特定波长的吸收,也让制备出的机器人可在白光或特定波长的激光下工作。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

在第一阶段,他们还借助高速摄像机,来研究机器人的振动机理,确认在光照射下水会蒸发产生气泡,并观察到气泡的产生和消散,会对弯曲的薄膜产生扰动,进而能驱动可控性机械振动。

在第二阶段,该团队展开系统性研究,优化了薄膜尺寸,并研究了水凝胶的交联度、以及光强度对机械振动的影响。

他们发现,通过控制这些参数,即可在较大范围内调节薄膜的振动频率和振幅。这时,只需改变光的强度,就能让机器人主动调节振动模式。

第三阶段是设计浮游机器人。受水黾的启发,李志伟设计出水面浮游机器人。在弱光照射下,机器人的运动是间断的脉冲式;在强光照射下,机器人可主动改变运动方式,并以匀速运动为主。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

如前文所述,光源可驱动机器人的运动。目前的设计是用激光作为可控的光源。在现有的光功率密度下,机器人的最快运动速度为 1.3 毫米每秒,相当于大约每分钟 4 个机器人身长。后续进一步增加功率,有望可以实现更快的浮游。

在现有的光功率下,相比此前报道的其他浮游软体机器人,该机器人的速度更快,并接近一些自然生物在水中的游速。

另外一个特点是,当使用激光作为光源,激光会产生非常小的光斑,这让照射位置可被精确控制,进而可精确控制机器人的运动方式,实现前进、转弯和后退,并有望在弯曲、狭窄的管道内探索。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

以光能量作为驱动方式,可让机器人运动不受导线限制

该机器人的驱动方式,使用光作为能量输入,这让它的运动不受导线限制,因此它具有更灵活、更自由的运动方式,以及更广泛的运动范围。

此外,相比于电驱动的机器人,该机器人还有望实现自然光驱动的可持续和可控性运动,届时不再需要额外能量输入。由于光的波长和偏振态都是非常可调的参数,这让他们可进一步设计机器人结构、以及纳米材料的性能,借此实现更复杂多变的运动方式。

比如在本工作中,他们通过控制照射位置,很方便地实现了机器人的前行,转向和后退。没有借助于其它材料和设备,也没有需要额外的结构设计,他们就可以实现机器人的全向灵活运动。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

如何在较大范围内调节机器人的运动?

该团队表示,机器人的刚度通常由如下几个因素调节:

其一是水凝胶的交联度。在制作过程中,可通过控制交联剂用量来控制交联度,而水凝胶的交联度会影响水的蒸发速率和振动频率。

其二是聚二甲基硅氧烷层的厚度。该材料的杨氏模量相对较大(杨氏模量:描述固体材料抵抗形变能力的物理量)。因此,当提高材料厚度,即可制备刚度更高的机器人。

另据悉,他们还研究了聚二甲基硅氧烷层的厚度对机器人弯曲平衡态、振动频率以及幅度的影响。

综合考量上述因素,使得他们能在较大范围内调节机器人的振幅和频率,也为避开机器人的共振频率奠定了基础。此外,鉴于本次机器人的身体比较柔软,因此各个弹性体可通过弹性形变,来吸收振动能量,从而减少振动对自身结构的破坏。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

巧妙设计弯曲结构,让机器人可持续浮游

据介绍,本次研究开始于 2020 年疫情爆发之前,并在疫情最严重期间完成主要工作。在学校被关闭的情况下,李志伟在获得批准后,利用一切可能的机会进入实验室进行研究,最终高效高质地完成了研究。

在工作接近尾声时,浮游机器人的结构设计遇到了一些困难。由于机器人漂浮在水面上,而且水的比热容比较大,他们担心浮游在水面上的机器人未必能像在空气中一样被光驱动。

加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)


经过深思熟虑,李志伟巧妙设计出一种弯曲构造的机器人。该结构可让机器人的两端深入水面以下汲水,还可把水通过水凝胶层传递到机器人身体中作为 “燃料”。

另外,机器人弯曲的身躯可减少热量损失和耗散。看似简单的设计,功能却很实用,也凝聚了研究人员不少心血。


加州大学河滨分校(UCR)殷亚东教授开发出光驱动软体机器人

(来源:Science Robotics)

将开发集群式浮游机器人,实现无人机一样的自由运动

该团队表示,后续研究计划主要包括三方面:

第一是开发浮游软体机器人的在现实中的应用。

第二是优化纳米材料光热转换效率,以及控制纳米材料在水凝胶中的功能。目前,他们已开发出一系列具有较高光热转换效率的纳米结构,借此可进一步改善机器人的能源利用率,最终实现太阳能驱动的软体机器人。而且,使用不同的纳米材料,还可制备不同波长和光源驱动的机器人。

另外,他们还计划控制纳米棒在水凝胶层的取向,以便让光热转换也可对光偏振做出响应。通过改变激光的偏振和波长,机器人会更智能、更可控。

第三点是以此为起点,开发集群式浮游机器人,实现像无人机一样的自由运动、集群响应和控制。比如,机器人可以互相沟通、交换信息、协同作业,从而更高效地完成任务。

因此,该团队需在现有机器人结构的基础上,进一步升级机器人的功能,以实现互相通信:其中一种设计方案是把机器人用物理方法连接起来,去实现更复杂的集群运动和合作模式;第二种是加入控制电路,让各个机器人可以相互沟通,类似于集群式无人机一样。

参考:

1、Z Li, NV Myung, Y Yin.Science Robotics 6(61), eabi4523 https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abi4523

相关专题二:『美国华裔教授专家网活动集锦
『学人动向』 杨振宁挂念了七十多年的师姐,和她背后屹立三个世纪的学霸家族 2024-03-18 [277]
『社区动态』 晨光基金會(美國)留學生獎助學金 2024-02-10 [1199]
『内外互动』 萧东:2023年美国躲过萧条,2024年呢? 2024-02-04 [1293]
『社区报道』 中国驻洛杉矶总领馆举办2024年春节招待会 2024-02-04 [1360]
『学术论坛』 第31届环太平洋管理国际研讨会 征文和邀请通知 2024-02-05 [1137]
『社区报道』 中国驻洛杉矶总领馆举办纪念中美建交45周年招待会 2024-01-29 [1405]
『社区动态』 2024年国泰银行奖学金于2024年1月1日至2024年3月15日接受申请 2023-12-22 [2342]
『社区报道』 AI颠覆数学研究!陶哲轩借AI破解数学猜想,形式化成功震惊数学圈 2023-12-09 [2607]
『社区报道』 孙涤教授应邀访问中科院虚拟经济与数据科学研究中心 2023-11-26 [2791]
『社区报道』 UCLA举办庆祝活动 祝贺华裔教授周敏荣膺美国两院院士 2023-11-16 [3100]
相关专题更多文章
相关栏目:『社区报道
藏在美国国家档案馆的绝密照片 2024-03-23 [228]
呵呵,果然放开面上申请限制不是啥好事儿 2024-03-22 [137]
蒋碧薇:与徐悲鸿私奔的大家闺秀,因“情”跌宕孤独终老 2024-03-22 [134]
15位心理学家荣获2024年APS终身成就奖 2024-03-21 [115]
Can we still trust the polls? 2024-03-19 [195]
Meet Hugo Miller, the first male dancer on the Trojan Dance Force 2024-03-19 [185]
USC Latino Alumni Association sets ambitious goals after raising more than $1 million in a single night 2024-03-19 [91]
AI女友热潮席卷而来,下载量竟是AI男友七倍 2024-03-19 [163]
房产经纪业大地震:美国已取消佣金或影响加拿大 2024-03-19 [245]
她用12年,从“凑数员工”,逆袭成百事首位女CEO 2024-03-15 [213]
相关栏目更多文章
最新图文:
马亮:做院长就能够发更多论文?论文发表是不是一场“权力的游戏”? :印裔人才在美碾压华裔:我们可以从印度教育中学到什么? :北京452万人将从北京迁至雄安(附部分央企名单) :《2019全球肿瘤趋势报告》 :阿尔茨海默病预防与干预核心讯息图解 :引力波天文台或有助搜寻暗物质粒子 :Sail Through the Mist - SoCal Innovation Forum 2019(10/5) 游天龙:《唐人街》是如何炼成的:UCLA社会学教授周敏的学术之路
更多最新图文
更多《即时通讯》>>
 
打印本文章
 
您的名字:
电子邮件:
留言内容:
注意: 留言内容不要超过4000字,否则会被截断。
未 审 核:  是
  
关于我们联系我们申请加入后台管理设为主页加入收藏
美国华裔教授专家网版权所有,谢绝拷贝。如欲选登或发表,请与美国华裔教授专家网联系。
Copyright © 2024 ScholarsUpdate.com. All Rights Reserved.