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折紙機(jī)器人能從灰燼中重生研究領(lǐng)域細(xì)分越來(lái)越

“折紙機(jī)器人”是最先進(jìn)的軟、柔性機(jī)器人，已經(jīng)過測(cè)試，可用于各種應(yīng)用，包括人體藥物輸送，災(zāi)難環(huán)境中的搜索和救援任務(wù)以及類人機(jī)器人手臂，這使得折紙機(jī)器人出現(xiàn)了很多細(xì)分研究，而這些研究往往都取得了非常不錯(cuò)的成績(jī)。因?yàn)檫@些機(jī)器人需要靈活，所以它們通常由柔軟的材料制成，例如紙張，塑料和橡膠。為了發(fā)揮功能，通常會(huì)在頂部添加傳感器和電氣組件，但這會(huì)增加設(shè)備的體積。現(xiàn)在，一個(gè)由NUS研究人員組成的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開發(fā)出一種新穎的方法來(lái)創(chuàng)建一種用于這些軟機(jī)器人的新型金屬基材料。這種新材料將鉑等金屬與燒紙（灰燼）結(jié)合在一起，具有增強(qiáng)的功能，同時(shí)保持了傳統(tǒng)紙和塑料的可折疊性和輕便性。實(shí)際上，新材料的重量是紙的一半，這也使其具有更高的能效。這些特性使這種材料成為制造柔韌而輕巧的假肢的強(qiáng)有力的候選者，該假肢的重量比傳統(tǒng)假肢輕60％。這樣的假體可以提供實(shí)時(shí)的應(yīng)變感測(cè)，以反饋有關(guān)其彎曲程度的信息，從而為用戶提供更好的控制和即時(shí)信息，而無(wú)需外部傳感器，否則外部傳感器會(huì)給假體增加不必要的重量。該研究團(tuán)隊(duì)復(fù)制用薄彈性體制成的鉑金折紙結(jié)構(gòu)，以形成多功能骨架，從而創(chuàng)建新的折紙機(jī)器人。與使用其他材料建造的機(jī)器人相比，這些新型機(jī)器人具有更高的變形性，阻燃性和能效。楊等。觀察到了新型鉑金機(jī)器人（Pt機(jī)器人）的新增功能，包括按需電阻加熱，應(yīng)變感應(yīng)和不帶外部電子設(shè)備的內(nèi)置天線。為了獲得更多功能，它們包括實(shí)時(shí)監(jiān)視或記錄機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人之間的無(wú)線通信，熱量調(diào)節(jié)和磁控制。這項(xiàng)新工作豐富了機(jī)器人材料庫(kù)，以設(shè)計(jì)通用的軟機(jī)器人。機(jī)器人技術(shù)研究人員此前曾探索過日本古代的折紙藝術(shù)，以制造人造肌肉，自動(dòng)折疊機(jī)，彈簧折紙系統(tǒng)和機(jī)器人變形。通常，他們使用纖維素紙，聚酯，聚醚醚酮和聚四氟乙烯來(lái)制造此類發(fā)明的骨架。盡管提供了機(jī)械支持，但紙或塑料骨架缺乏刺激響應(yīng)，感應(yīng)和無(wú)線通信功能。現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)不再安裝外部設(shè)備來(lái)提供這種功能，而是致力于開發(fā)多功能的軟機(jī)器人主干網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)緊密集成。研究工作尚未證明這種具有導(dǎo)電折紙骨架的原型軟機(jī)器人具有傳感和通信潛力。因此，科學(xué)家渴望開發(fā)一種新的制造方案，以生產(chǎn)機(jī)械穩(wěn)定，柔軟且導(dǎo)電的機(jī)器人骨架。于是，這種輕巧的金屬骨架誕生了，它比用于制造折紙機(jī)器人的傳統(tǒng)材料輕至少三倍，它還具有更高的能源效率，使折紙機(jī)器人能夠以比原來(lái)少30％的能源更快地工作。此外，這種新型材料具有耐火性，適合制造在惡劣環(huán)境下工作的機(jī)器人，因?yàn)樗梢猿惺芗s800°C的燃燒長(zhǎng)達(dá)5分鐘。另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，這種新型導(dǎo)電材料具有按需地?zé)峒訜岬墓δ?通過該材料發(fā)送電壓會(huì)導(dǎo)致其加熱，這有助于防止機(jī)器人在寒冷環(huán)境中工作時(shí)結(jié)冰。這些屬性可用于創(chuàng)建輕便靈活的搜索救援機(jī)器人，這些機(jī)器人可以進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)提供實(shí)時(shí)反饋和通信。這種金屬基材料是由團(tuán)隊(duì)開發(fā)的一種新工藝生產(chǎn)的，該工藝稱為“氧化石墨烯啟用的模板合成”。首先將纖維素紙浸入氧化石墨烯溶液中，然后再將其浸入由金屬離子（例如鉑）制成的溶液中。然后將材料在惰性氣體氬氣中于800°C，然后在500°C的空氣中燃燒。最終產(chǎn)品是由70％的鉑和30％的無(wú)定形碳（灰分）組成的金屬薄層（90微米（μm）或0.09mm），其柔韌性足以彎曲，折疊和拉伸。這一重大研究突破已于2019年8月28日發(fā)表在著名的科學(xué)雜志《科學(xué)機(jī)器人》上。也可以使用其他金屬，例如金和銀。具有內(nèi)置無(wú)線通信功能的Origami Pt機(jī)器人。（A）在0％應(yīng)變下于741.8 MHz的兩個(gè)Pt彈性波紋管的模擬3D輻射方向圖。（B）雙波紋Pt機(jī)器人的示意圖，該機(jī)器人也用作可重配置的偶極天線。（C）左：可重構(gòu)偶極天線在0至50％的不同壓縮應(yīng)變下的回波損耗。右圖：共振頻率是500次循環(huán)機(jī)器人致動(dòng)前后壓縮應(yīng)變的函數(shù)。（D）發(fā)送器Pt機(jī)器人（發(fā)送信號(hào)）（左）和接收器Pt機(jī)器人（接收信號(hào)）（右）的照片。（E）脈沖信號(hào)（發(fā)送方Pt機(jī)械手已發(fā)送）被接收方Pt機(jī)械手很好地接收。發(fā)送信號(hào)的頻率與接收信號(hào)的頻率相同。（F）兩個(gè)Pt機(jī)器人能夠跨1.2米的距離進(jìn)行遠(yuǎn)程通信。小組組長(zhǎng)助理助理陳寶仁教授在研究中使用了切成鳳凰形狀的纖維素模板。美國(guó)國(guó)立大學(xué)化學(xué)與生物分子工程系的陳教授說(shuō)：“我們受到神話中生物的啟發(fā)。就像鳳凰一樣，它可以被燃燒成灰燼，重生變得比以前更強(qiáng)大。” 在制造過程中，Yang等人使用氧化石墨烯（GO）多層層插入各種金屬離子前體，然后進(jìn)行高溫退火和煅燒以生產(chǎn)高維GO結(jié)構(gòu)。金屬氧化物復(fù)制品包括微觀紋理，獨(dú)立的股線和復(fù)雜的折紙結(jié)構(gòu)，具有出色的化學(xué)控制和結(jié)構(gòu)復(fù)制能力。提出的GO衍生方法將提供一個(gè)新平臺(tái)，以生產(chǎn)復(fù)雜的金屬架構(gòu)，作為軟機(jī)器人的多功能主干。該團(tuán)隊(duì)的材料可以充當(dāng)機(jī)械穩(wěn)定，柔軟且導(dǎo)電的骨架，從而使機(jī)器人具備應(yīng)變感應(yīng)和通訊功能，而無(wú)需外部電子設(shè)備。具有導(dǎo)電性意味著該材料充當(dāng)其自身的無(wú)線天線，從而使其可以與遠(yuǎn)程操作員或其他機(jī)器人進(jìn)行通信，而無(wú)需外部通信模塊。這擴(kuò)大了折紙機(jī)器人的范圍，例如在高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境（例如化學(xué)泄漏和火災(zāi)）中作為遠(yuǎn)程束縛式機(jī)器人或用作人造肌肉或人形機(jī)器人手臂而工作。為了提高機(jī)械穩(wěn)定性，他們?cè)诮饘僬奂埥Y(jié)構(gòu)中加入了稀薄的彈性體，以實(shí)現(xiàn)較大的變形能力和可逆的重構(gòu)。之所以選擇鉑金，是因?yàn)槠渑c金（Au）或銀（Ag）相比，具有有效的結(jié)構(gòu)保持性，較高的機(jī)械柔韌性和較高的導(dǎo)電性。該團(tuán)隊(duì)針對(duì)高電導(dǎo)率和機(jī)械柔韌性優(yōu)化了Pt-彈性體骨架，以使所得的平面Pt-彈性體復(fù)合材料能夠承受較大且反復(fù)的變形，這對(duì)于軟機(jī)器人骨架而言是更理想的選擇。可重配置的金屬主干引入了多種不同的功能以形成超材料折紙機(jī)器人包括潛在的耐火性。研究小組通過允許Pt機(jī)器人與火焰直接接觸以延長(zhǎng)暴露時(shí)間（800 0 C，持續(xù)30秒）來(lái)測(cè)試此功能，相比之下，紙機(jī)器人在數(shù)秒（不到5秒）內(nèi)被點(diǎn)燃。 Pt-彈性體骨架比纖維素紙機(jī)械手更薄更輕，但在可逆機(jī)械手致動(dòng)過程中仍保持機(jī)械穩(wěn)定。紙基機(jī)器人需要很大的壓力變化才能伸長(zhǎng)或收縮。，而Pt機(jī)械手只需要較低的壓力變化即可。然后楊等開發(fā)了導(dǎo)電的Pt折紙機(jī)器人來(lái)發(fā)送和接收電磁波（EM），并用作無(wú)線通信的可重構(gòu)天線。在制造之前，研究團(tuán)隊(duì)模擬了3-D輻射方向圖，以探索Pt機(jī)器人作為輻射天線的用途，然后制造它們，科學(xué)家還展示了充當(dāng)發(fā)送器和接收器的兩個(gè)Pt機(jī)器人之間的無(wú)線通信。該團(tuán)隊(duì)比較了工作中的五類機(jī)器人功能，以證明使用具有GO功能的Pt金屬骨架相對(duì)于（1）骨架密度，（2）機(jī)械剛度，（3）能源效率，（4）應(yīng)變感應(yīng)功能的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（5）無(wú)線通訊能力。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步優(yōu)化了兩個(gè)Pt機(jī)器人的無(wú)線通信功能，其中發(fā)送方機(jī)器人將導(dǎo)航指令無(wú)線傳遞給接收方機(jī)器人，以遵循引導(dǎo)路徑成功繞過工程障礙。然后，該團(tuán)隊(duì)使用添加的3-D制造技術(shù)擴(kuò)展了該系統(tǒng)的應(yīng)用程序，在該技術(shù)中，他們將Pt-Go-纖維素油墨與熔融沉積建模（FDM）結(jié)合在一起，以進(jìn)行3-D打印金屬機(jī)器人骨架成型形狀。隨后，他們?cè)O(shè)計(jì)了Pt機(jī)器人進(jìn)行磁場(chǎng)遠(yuǎn)程控制。為此楊等用Pt-Go-纖維素墨水合成了一個(gè)Pt復(fù)制品，并用磁性顆粒滲透到聚合物溶液中，形成了一個(gè)磁性Pt主鏈。新結(jié)構(gòu)包含通常的內(nèi)置應(yīng)變感應(yīng)和無(wú)線通信功能，并增加了磁運(yùn)動(dòng)。磁性Pt機(jī)器人在磁驅(qū)動(dòng)下可能會(huì)發(fā)生可逆的形狀和身體變形，以與旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)齊向前移動(dòng)。通過這種方式，楊海濤及其同事開發(fā)了一種支持Go的模板合成協(xié)議，以生產(chǎn)可重構(gòu)，順應(yīng)性和多功能的金屬骨架，以構(gòu)建金屬折紙機(jī)器人。機(jī)器人具有內(nèi)置的應(yīng)變感應(yīng)和無(wú)線通信功能。用復(fù)雜的貴金屬（包括銀，金和鉑）制成的合成金屬骨架是其紙制副本的高度結(jié)構(gòu)復(fù)制。與傳統(tǒng)的紙和塑料相比，可重構(gòu)的Pt彈性骨架具有重量輕，可變形性和功率效率高的特點(diǎn)。 “我們嘗試了不同的導(dǎo)電材料，最終得出了一種獨(dú)特的組合，可以實(shí)現(xiàn)最佳的應(yīng)變感應(yīng)和無(wú)線通信功能。因此，我們的發(fā)明擴(kuò)展了用于制造高級(jí)機(jī)器人的非常規(guī)材料庫(kù)，”該研究的第一作者，化學(xué)與生物分子工程系的楊海濤博士說(shuō)。國(guó)大助理教授陳寶仁（右）和博士生楊海濤（左）及其團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種新型金屬材料，用于柔軟靈活的機(jī)器人。在他們的下一步研究中，陳副教授及其團(tuán)隊(duì)正在研究為金屬骨架增加更多功能。一個(gè)有前途的方向是將電化學(xué)活性材料摻入到制造能量存儲(chǔ)設(shè)備中，從而使材料本身就是其自身的電池，從而允許創(chuàng)建自供電機(jī)器人。該小組還在試驗(yàn)其他金屬，例如銅，這將降低材料的生產(chǎn)成本。楊等設(shè)想金屬折紙機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用包括高風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境中的活動(dòng)，用于人造肌肉和機(jī)械臂以及遠(yuǎn)程控制的不受束縛的機(jī)器人。他們的目標(biāo)是利用電化學(xué)活性材料優(yōu)化金屬骨架，從而形成儲(chǔ)能裝置。這樣的發(fā)展將豐富機(jī)器人材料庫(kù)，以制造具有高功能集成的各種軟機(jī)器人。

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