2018-11-28 22:46:01
在软机器人中复制眼虫运动

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游泳是许多生物在自然界中广泛使用的一种运动形式。具有小质量的微生物在介质中遇到粘性力的主导,需要改变形状,该形状不随时间变化以实现与流体动力学对齐的流体推进。为了克服这一挑战,Euglena家族的单细胞鞭毛虫进化出一种称为“眼虫运动”的特征性运动,其中身体显着改变形状,允许有机体在粘性流体和微小空间中导航。这种改变体形并在狭窄空间和杂乱环境中移动的能力在工程仿生机器人中特别有吸引力。微型机器人的示例应用包括在体内医疗过程期间通过生物流体的移动以及在幸存者的搜索和救援操作期间在外部环境中的瓦砾中导航。

受到euglenoids的启发,Krishna Manaswi Digumarti和工程与数学系的同事介绍了EuMoBot的设计和开发,EuMoBot是一种多段软机器人。仿生机器人可以复制大的身体变形来进行运动。在这项研究中,科学家设计了两种不同尺寸的机器人,以恒定的内部体积运行。工程协议利用充满流体的弹性体室的超弹性来复制眼虫的运动。在这两者中,较小的机器人以每循环1/5体长的速度移动,而较大的机器人以每循环1/10体长的速度移动。该研究表明,软质仿生机器人如何用于改变形状和复制生物运动,同时充当研究仿生机器人的工具。

科学家们还提出了一种基于椭圆傅立叶描述子的定量方法,用于表征和比较机器人的形状与其生物眼虫对应物。结果显示85%的形状相似,表明该工程技术适用于开发微型机器人。该方法使科学家们能够理解非线性动态软机器人的形状演变,这些机器人没有特定的形状可供建模。该研究的结果现已发表在英国皇家学会界面杂志上。

仿生工程策略激发了研究人员从动物王国寻求设计并创造生物启发的机器人。类眼虫是单细胞鞭毛虫,由于其植物样和动物样特征在实验室中作为模型进行了广泛研究。有机体使用独特的策略在低雷诺数下游泳,对它们运动的研究是相对较新的。生物体的细胞通常配备有一个或多个游泳鞭毛,同时还表现出称为眼虫运动的第二类慢速运动,其中细胞经历显着的形状变化。在本研究中,Digumarti等人。使用第二种形式的运动来基于微生物的行为设计出柔软的功能性机器人。

尽管人们认为细胞大小的变形是由于强烈的刺激如光,热,化学冲击或接触引起的,但是眼球运动期间观察到的形状变化的进化原因尚不清楚。当将微生物置于类似于其自然环境的充满液体的微观迷宫中时,许多显示出眼球运动,这表明该运动非常适合于受限制的环境。这种性质的运动对于软机器人领域中的生物启发机器人来说可以是有用的,其使用大体变形来穿过杂乱的环境。

在这项研究中,作者介绍了设计,驱动原理和制造方法,以设计EuMoBot,一个展示眼虫运动的软机器人。相对于天然微生物的运动量化通过流体的运动。由于先前已经详细研究了形状变化的潜在机制,因此Digumarti等人。侧重于机器人形式的眼虫的宏观形状,而没有在微观水平上复制变化。为了生成软流体执行器,研究人员设计了一种新型波纹管式装置,称为“超弹性波纹管”(HEB)执行器,如同研究小组之前详述的那样。

工程师使用3D打印模具形成了执行器的形状。他们制造了两个不同尺寸的机器人。他们铸造了三个致动器室,然后将弹性体与注入模具中的颜料混合,过夜固化并形成半透明的白色外壳。生物启发的软机器人包含一个充气/放气室,以复制眼虫的形状并实现运动的相似性。

为了测试工程机器人的运动,研究人员将它们放入装有甲基纤维素水溶液的罐中。每个实验中的机器人具有恒定的内部容积,并且它们的内部流体从一个腔室移动到下一个腔室,从而再现了对于眼虫的特征的膨胀波的运动。两个机器人都通过改变身体的形状来展示游泳的能力。速度的差异取决于泵送通过软机器人的腔室的流体的体积。科学家观察到软机器人和微生物之间的流体力学相似性相对于两种尺寸的雷诺数。软机器人不仅仅局限于在流体环境中作为其生物对应物工作,具有在平台上进行多模式运动的能力以及使用非恒定操作量攀爬管道的能力。

机器人采用基于反馈的方法进行自动控制,无需模拟泵的动力学和机器人内的流体流动。通过相机和MATLAB脚本对腔室尺寸进行机器视觉估计,提供了反馈。该系统使用每个腔室的膨胀和收缩来控制机器人内部的流体流动。机器人内的传感器允许直接测量流体压力。

使用利用生物体的先前视频记录提取的数学描述符来完成机器人的形状估计。科学家们使用椭圆傅立叶描述子来描述超弹性软机器人的形状,并将其与生物体进行了比较,这是该研究中的第一次。在四个主要步骤中提取椭圆傅里叶描述符以估计对象的形状。由特征向量捕获的形状的变化量用于定量测量机器人和生物体之间的形状相似性。眼虫的形状明显地以前三个主要成分为特征,而机器人的方差分布在更多的成分上,这表明在机器人中没有完全再现极端形状的眼虫。

基于特征值,与较小的机器人相比,较大的机器人再现了更接近眼虫的形状。观察到差异的原因可能是由于波纹管折叠的设计(超弹性波纹管-HETR)。可以进一步优化折叠角度的参数,它们的数量和密度以实现更好的形状复制。与天然微生物相比,机器人在将流体从一个腔室转换到另一个腔室时不会产生平滑的移位,可能是因为合成边界壁尽管具有弹性可能局部地限制腔室膨胀。这也可以解释机器人无法呈现极端形状。

总的来说,多段软机器人EuMoBot除了可以在非流体环境中进行形状变化和运动游动外,还可以复制眼虫运动,使得柔软自满的机器人能够在狭窄的空间中运行。需要进一步的工作来理解主成分和运动能力之间的关系。由于相关材料的抗拉强度及其单片器件设计,EuMoBots所呈现的极端形状受到限制。替代制造技术如3D打印和软光刻可以解决材料弹性的限制。通过复制生物体固有的微观薄膜结构,可以将机器人设计成具有数学精确度的类眼虫,以便在运动过程中更平稳地过渡。转向能力可以包含在机器人的设计中,使用形状记忆合金的驱动线圈,或者在未来的工作中使用具有内置电源的材料约束,用于弹性,小型化设备。

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