軟體機器人平臺用于復雜生物運動的解耦和重編程

由于自然界中生命的演變，生物往往表現出對復雜環境的高度適應性，例如超快運動、偽.裝和群體合作。生物運動的研究對仿生機器人以及醫療設備構建等工程領域具有重要啟示作用。基于此，人們致力于開發新的仿真工具、物理模型和實驗平臺來模擬和研究這些自然運動模式。然而，許多不同尺度的生物表現出非常復雜的運動步態，例如多種基本運動的耦合。這些步態難以用現有的軟體機器人平臺模擬，而且這些平臺通常缺乏解耦復雜生物行為的策略，使得理解生物運動的機制具有挑戰性。 近日，香港中文大學張立教授課題組聯合北京計算科學研究中心丁陽教授課題組以及美國卡耐基梅隆大學Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機器人平臺用于重建和解耦復雜生物運動。該磁性軟體機器人可以通過模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節肢型的水凝膠磁性機器人，機器人身體由磁性段（由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成）和非磁性段（由聚丙烯酰胺水凝膠制成）組成。機器人的尺寸為長度5 mm、長寬比11:1。采用時變磁場來誘導軟體機器人的敏捷運動。通過該軟體機器人平臺以及可編程的磁場輸入，該研究團隊可以重建出搖蚊的幼蟲所啟發的運動步態并對這類型的生物運動步態進行系統的解耦研究。相關研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發表于期刊《Advanced Materials》。 

通過構建的磁性軟體機器人系統，該研究團隊揭示了機器人身體卷曲和旋轉的相互耦合在其推進中起著關鍵作用，以這種仿生推進方式游動可以誘導與自然生物一致的流場結構，并在中等雷諾數狀態下實現優異的運動性能。此外，磁性軟體機器人能夠在流動的環境中逆流而行，通過切換其運動模式來適應三維環境，以及實現其他功能，包括越障能力和在狹窄空間中的運動能力。與通過磁場梯度直接將機器人驅動到指.定位置的磁力控制策略相比，軟體機器人可以靈巧地控制其變形和運動模式。 總結而言，這項工作提供了一個磁性軟體機器人平臺，使其能夠對無脊椎動物的復雜運動進行解耦和重新編程，并掌握它們的基本機制。這也為設計具有復雜耦合步態的游動軟機器人提供了新的思路。

圖1. 軟體機器人的磁場控制和運動分析。（A）機器人的模板輔助磁化方式；（B）沿著機器人中心線的磁通密度分布；（C）軟體機器人在不同靜態磁場下的變形和轉向；（D）用于控制軟體機器人的動態磁場；（E）軟體機器人在一個周期內的運動序列。
 

圖2. 軟體機器人的流場動力學模擬和流場可視化分析。（A）在一個周期內軟體機器人的瞬時速度；（B）軟體機器人質心軌跡的實驗和模擬結果；（C）在一個運動周期內施加到機器人身體上的凈流體力；（D）流場結構的可視化。

圖3. 軟體機器人平臺用于解耦復雜生物運動。（A）機器人身體卷曲和旋轉之間的相位差對運動性能的影響；（B）機器人身體的轉動角度對運動性能的影響；（C）磁場強度對機器人運動性能的影響；（D）磁場頻率f2/f1 對機器人運動性能和前進速度的影響；（E）磁場頻率feq對機器人運動性能的影響。（F）機器人運動方向和磁場方向角的關系。

圖4. 軟體機器人的多模態運動。（A）機器人沿著五角星軌跡的可控運動；（B）機器人在動態環境中的運動；（C）機器人的三維游動和避障行為；（D）機器人在狹窄空間內運動；（E）機器人通過多種模式運動探索三維空間。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202109126