Stimuli-responsive聚合物bioinspired软机器人

软机器人使各种应用程序在特定环境中传统刚性机器人不能提供相同的性能由于其形式和刚度。动物用他们柔软的外部器官来开展活动,以应对挑战自然环境效率。软机器人的目的是提供生物启发的能力和使适应性和灵活的与复杂的对象和环境的互动。最近stimuli-responsive软机器人技术的进步已经大量使用聚合物多功能材料。软机器人非常复杂的multi-mechanical、电子或光学功能已经证明能理智地修改他们的形状在应对外界刺激,如光、电、热梯度和磁场。这个简短的综述了近年来科学技术的进步将多功能高分子材料纳入stimuli-responsive bioinspired软机器人及其应用。我们还讨论生物灵感和环境影响如何提供一个可行的观点bioinspired软机器人的设计在创新领域。最后,我们强调未来前景和柔软,前景stimuli-responsive,仿生机器人。

仿生软机器人满足或超越不可思议的生物适应性和功能(1,2,188bet官网网址 ]。软的聚合物组成的机器人能更好地模拟软体生物比刚性机器人,因为他们的刚性组件限制机器人的适应性和多样性(4,5,188bet官网网址 ]。软机器人系统也更适合与人互动的过程,尤其是对可穿戴操作(7,8,188bet官网网址 ]。许多研究人员专注于停止限制软机器人从拘束到外部或沉重的车载控制系统通过应用一些环境刺激188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。这些软机器人必须整合意义的能力,积极推动在严酷的条件下,和管理他们的行为与刚性机器人竞争。这些功能可以通过巧妙结合生物和软材料来创建结构与全球合规和可变形性188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。

微机电系统(MEMS)和机械设备已经开发使用stimuli-responsive材料,将环境刺激转换为机械活动(188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。软机器人可以制成各种材料,包括金属、聚合物、无机非金属材料(16,17,188bet官网网址 ]。多的研究已经在聚合物软机器人由于其灵活性和适应性,类似于生物细胞或组织的力学行为。近日现身stimulus-responsive聚合物可以动态地改变它们的物理化学特征对外界刺激反应,包括温度、光、电或磁场的变化。此外,许多stimuli-responsive聚合物是无毒的生物环境,使软聚合物机器人适合各种生物医学用途,包括灵活的电子产品和组织工程(19,20.,188bet官网网址 ]。

这个简短的回顾旨在强调当前研究的进步bioinspired软机器人基于stimuli-responsive(例如,光、磁场和电)聚合物与各种shape-morphing功能和可配置的运动控制功能和他们的概念设计从生物系统。最后,约束和更好的stimuli-responsive软机器人的发展前景进行了讨论。

Light-driven软机器人

近年来很多研究使用光功率机器人(22,23,188bet官网网址 ]。一个光机位高分子液晶弹性体(特性)monolith-based软履带机器人提出了由光Rogożet al。机器人可以在困难的条件下开展各种活动,表现出不同的步态188bet官网网址 ]。杨等人报道了一个独特的柔软与蛇形机器人的设计使用polydopamine和三层石墨烯氧化物减少。开发机器人利用两个蛇形流动模式,形成了,和蜿蜒的模式,对应于外部近红外(NIR)光刺激(188bet官网网址 ]。然而,大多数当前light-driven机器人展览收缩的运动技能和限制运动形态图。188bet官网网址 。

一个展现高科技的光能软机器人bioinspired设计从尺蠖和果蝇可以爬在地上,勉强通过狭窄通道和跳过障碍,安推出了et al。188bet官网网址 ]。尺蠖机器人基于LCE-CNT复合可以爬暴露在周期性光照射通过模拟毛毛虫的运动。单向地对齐mesogens单畴结构的形变特性随着温度上升而迷失方向,导致一个重要的和可逆的材料收缩。由于光照的影响包含碳纳米管,LCE-CNT综合表现出显著的可逆激活当暴露于可见光。边缘的电影充斥着光温度最高,而另一侧的最低温度。电影的不均匀温度场引起的不均匀收缩和变形弯曲,如无花果所示。188bet官网网址 a1。来模拟复杂的环境中,作者安装各种各样的障碍以及机器人的路径,包括墙、通道和楼梯。机器人,可以移动0.7毫米/秒的速度,扫描灯泡在其表面(体长0.5分钟⁻¹)。机器人的高度降低了25%,爬行穿过狭窄的通道和繁殖之间的时间间隔连续两个光扫描周期。power-amplifying设备受到果蝇幼虫的跳跃发展,使展现高科技的光能机器人跳跃。内表面与光辐照,机器人开始变成了一个封闭的循环。由于这两个磁铁的强大的约束力,闭环仍然可以保持即使灯是关闭的,如无花果所示。188bet官网网址 a2。这个柔软的机器人能跳130毫米高,它的高度的四倍,如无花果所示。188bet官网网址 a3。这些结构有可能是有用的为微型和纳米机器人不久,生物医学应用,环境监测和太空探索。

与高水平的可变形性,柔软的机器人有可能执行常规任务以及困难的工业、医疗、军事任务的机器人刚性等价物(28,29日,188bet官网网址 ]。王等人开发了一个有足的light-driven软机器人名叫Geca-Robot,模仿壁虎刚毛的各向异性摩擦和毛毛虫的步态和有良好的地形适应性和巨大的承载能力见图。188bet官网网址 b1 (188bet官网网址 ]。Geca-Robot的脚,这是由交替长方体的聚二甲基硅氧烷(PDMS)和graphene-PDMS肌肉,包括三角micropillars受到壁虎,如无花果所示。188bet官网网址 b2。自主Geca-Robot是由光的波长从紫外到红外和移动caterpillar-like运动。打开灯时,前足进步和后方的脚执行相同的动作时灯是关闭的。因此,光开关周期(也称为一个+)提升未来Geca-robot使用caterpillar-like循环运动,如无花果所示。188bet官网网址 b3。Geca-muscle是由石墨烯,light-responsive组件,在全光谱吸收光,如无花果所示。188bet官网网址 b4。Geca-Robot可以移动与斜坡表面高达30°和不同程度的粗糙,干燥,因为它仿壁虎的脚。Geca-Robot可以操作极其有效的大温度范围内17 - 100°C由于传动机构,难以实现在许多现有软机器人。Geca-Robot也可以提高50倍重量的运费。因为红外线穿透生物组织,特别呼吁体内医学应用这个能源电力Geca-Robot。

磁field-driven软机器人

磁field-driven软机器人仿生设计显示很大的进步最近[32,33,188bet官网网址 ]。妞妞等人设计了一个软蠕虫与仿生机器人名叫MagWorm磁铁植入在厘米级的大小。MagWorm柔软的身体由使用一个外部的磁块移动drive-magnet驱动系统(188bet官网网址 ]。

软机器人传感和shape-deforming能力受海葵是由王et al。机器人有一个活跃的核心和四个检测触须(188bet官网网址 ]。它包括两部分:底部magneto-stimulated收缩空心身体和磁电传感器,像触角。底部的触须传感器可以指示变形按照感知周围的海水速度。柔软的机器人的低螺纹圆柱身体交替计算磁极,允许它迅速收缩或扩大在应对外部磁场(无花果。188bet官网网址 a1)。柔软的机器人精心设置在水下面的石层,和一个高分辨率的摄像头是安装在机器人的机器人拍照弯曲的触角在不同的角度,如无花果所示。188bet官网网址 a2。触手会瞬间弯曲的方向水流的延迟42女士,产生一种独特的输出电压信号6.9μV当水流速度为1.9米/秒。预计这样的设计,包括集成软机器人传感和变形,会更智能发展和应用的一个例子软机器人在水下和微流体应用的未来。

Stimuli-responsive软机器人与生物组件,比如内在感应,使运动控制至关重要,因此对软机器人技术的发展(188bet官网网址 ]。太阳等人开发了一个独特的magnetic-field-driven软机器人不对称的爪子,一层碳纳米管引起的心脏组织,丙烯酸甲酯明胶(GelMA),和一个结构性的颜色指标(188bet官网网址 ]。蛇和毛毛虫的爬行运动作为灵感。不对称的爪子可以帮助整个软机器人朝着一个方向的心肌细胞收缩,如无花果所示。188bet官网网址 a3,水凝胶基质进行了变形。心肌细胞的能力打败并产生收缩提高通过控制如何定位由于面向问层的电导率。柔软的机器人被放置在低磁场下产生的传统的磁铁,以确保爪子与底物接触。这些软机器人导航的能力在粗糙表面的二氧化硅粒子的胶体晶体的电影了。衬底的粗糙度帮助软机器人爬行的支持下摩擦,如无花果所示。188bet官网网址 a4。

同样,Ecoflex和石墨paste-based传感器材料和谐集成开发inchworm-like和earthworm-like软机器人内部应变传感Karipoth et al .,如无花果所示。188bet官网网址 b1 (188bet官网网址 ]。的ultra-stretchable管状设计应变传感器进一步修改,这样外部磁场可以控制它,驱动earthworm-like软机器人。一组小N42-grade钕铁硼磁钢两端呈现管状结构的两端(头尾)磁活跃。传感器的响应在单一磁驱动图所示。188bet官网网址 b2。图188bet官网网址 b3显示了柔软的示意图表示与单磁铁驱动机器人的运动。制造机器人演示了创纪录的拉伸性(900%)、敏感性(103年到200年,订单105线性应变约为700%),和控制运动和同步感应能力。此外,数码照片的柔软的机器人的运动周期图所示。188bet官网网址 b4。这些发现显示新的机遇与内在传感采用软机器人的手术情况。

电field-driven软机器人

软自动机的生物医学应用程序感兴趣的工程living-synthetic系统软机器人可以大力改变结构和感知生物环境(188bet官网网址 ]。心等人设计了一个软机器人系统类似batoid鱼包含self-actuating心脏肌肉组织与一层脚手架框架的两个水凝胶层小模式构成基质和灵活的黄金微电极(188bet官网网址 ]。驱动组件是由两层:一层明胶GelMa水凝胶嵌入碳纳米管,作为细胞培养基质,和一层聚(乙二醇)水凝胶基质,担任机械坚固的平台,如无花果所示。188bet官网网址 a1。此外,灵活的非盟微电极在仿生框架,包括改善的机械设备的完整性和导电性。非盟微电极定位下的细胞层软机器人系统还提供了电刺激诱导和控制打击行动,如无花果所示。188bet官网网址 a2。而1 Vcm的交流外部电场⁻¹是提供频率范围从0.5到2.0赫兹,bioinspired软机器人回应,如无花果所示。188bet官网网址 a3。心肌细胞表现出良好的肌纤维组织和提供self-actuating运动与收缩力的方向培养后的细胞和成熟的仿生支架图所示。188bet官网网址 a2。此外,这项工作在再生医学提供了可能的优势,如电气stimulator-integrated心脏或肌肉组织再生的补丁。

找到一个绿色能源供应电响应软机器人是个大问题,因为所需的电压超过几伏特(188bet官网网址 ,188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。在这种情况下,一个可行的现代技术称为摩擦电inchworm-inspired软机器人(TESR)系统,该系统主要功能由一个旋转摩擦电王中林教授是由刘等人设计的,如无花果所示。188bet官网网址 b1 (188bet官网网址 ]。两个摩擦电粘附脚推动和精确受摩擦电效应,实现最高的爬行速度14.9毫米⁻¹在顶部的丙烯酸聚合物,如无花果所示。188bet官网网址 b2。为了实现soft-deformable身体,介电弹性体是能好几次了。摩擦电王中林教授(邓)被用来分析和模拟TESR的特性,包括位移和力称为RF-TENG。摩擦电王中林教授的工作机制影响软机器人图所示。188bet官网网址 b3。的指导下RF-TENG, TESR成功地爬在各种材料表面和斜坡角度不同,如无花果所示。188bet官网网址 b4。实时可视化监控,TESR进行发送图片通过微型相机长,狭窄的隧道,还提出了这样的可能性,它可以用于人类临床评估在一个遥不可及的地方。隧道内的数码照片的爬行过程由微型相机记录和图片也附在机器人。这项研究增加了扩大腾的适用性通过提供一个清晰的视角的绿色能量收集技术适合电动给软机器人。

未来软bioinspired机器人应该能够适应和发展,因为他们将由可回收,可降解,或合成材料(45,46,188bet官网网址 ]。软机器人还将利用可再生能源而不破坏自然生态系统的能量平衡。这些柔软的绿色机器人将设计遵循生命周期和更好地融入自然生态系统,引领新一代的环保技术(188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。使软机器人完全函数在一个恶劣的环境,研究人员必须全面了解动物生活在周围的结构和特点(188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。

智能、创新材料连接的特点与这些设计目标所需软机器人(188bet官网网址 ]。由于软材料的非晶状态,仍然没有软机器人设计中标准化设计。软物质工程师最好能够建立在早期的研究使用图书馆良好的材料和设计结构,而不是使用软设计概念的假设(53,54,188bet官网网址 ]。柔软的机器人有许多用途,将介绍各种技术的新应用程序。这个领域还可以检查生产中的实际应用,工业、教育、和消费领域(56,57,188bet官网网址 ]。此外,应用可靠,被广泛接受的活性材料的制造方法与上升的可比性是可能的。

最后,柔软的机器人必须配备人工智能(AI)这个主题推进(188bet官网网址 ,188bet官网网址 ]。柔软的机器人可以利用和受益匪浅刚性机器人的典型算法,可以实现未来的进步。

这个简短回顾概述当前成就仿生软机器人是由外界刺激如光,磁场和电场在这个简短的评论。我们集中在生物学如何有助于促进软机器人通过复制环境的自适应特性。我们也解决仿生功能软机器人应用程序但从系统级别,如交通、流动性,处理,变形,功能检测和生物医学设备。提出软机器人可以解决材料需要一个统一的平台,将当地的紧张,光,磁场,电场更准确的信号。这些方法可以广泛应用于无限柔软的材料和复合材料,提供各种先进的软机器人的构建块。智能软材料的未来发展可能显著影响不同软机器人技术的快速发展。

数据和材料要求作者。

这项工作是支持的DGIST研发计划(22-RT-01;22-HRHR-05;22-SENS-01)由韩国科学和信息通信技术。

作者和联系

1. 机器人技术和机电一体化工程、大邱韩国庆北理工科技、大邱,42988年,韩国

   斯瓦特熊猫Sugato Hajra, p .玛丽Rajaitha &俊金锄头

2. 机器人技术和机电一体化研究中心大邱韩国庆北理工科技、大邱,42988年,韩国

   金锄俊

贡献

SP:概念化,可视化,原创作品手稿;承宪:Writing-Review &编辑;PMR:可视化;HJK:监督、资金收购,Writing-Review &编辑。所有作者阅读和批准最终的手稿。

相应的作者

对应到金锄俊。

相互竞争的利益

作者声明没有利益冲突与此相关的工作。

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