研究人員成功設計了新型液態(tài)金屬自驅動輪式移動機器人

中國科學技術大學精密機械與精密儀器系副教授張世武研究團隊、澳大利亞伍倫貢大學教授李衛(wèi)華研究團隊和蘇州大學機器人與微系統(tǒng)中心副教授李相鵬研究團隊組成的聯合研究組，設計了基于鎵基室溫液態(tài)金屬的新型機器人驅動器，首次實現了液態(tài)金屬驅動的功能性輪式移動機器人。近日，該成果以A Wheeled Robot Driven by a Liquid‐Metal Droplet為題，發(fā)表在《先進材料》雜志上（Adv. Mater.2018, 201805039）。

電影《終結者》中的液態(tài)金屬機器人“T1000”開啟了液態(tài)金屬在機器人領域應用的夢想之門。鎵基室溫液態(tài)金屬具獨特的表面性質及理化特性，可以通過電場、磁場以及濃度梯度場等多種能量場或者表面改性等方式，實現變形、移動、分離以及融合等多種形態(tài)學變化，在MEMS、微流體、生物醫(yī)學以及機器人等領域展示出巨大的應用前景，引起國際上的廣泛關注。然而，液態(tài)金屬在機器人領域應用研究目前僅局限于以液態(tài)金屬液滴為機器人本體，尚無基于液態(tài)金屬的功能性機器人的研究報道。

液態(tài)金屬驅動機器人研究取得進展

液態(tài)金屬鎵基室溫液態(tài)金屬擁有巨大的表面張力，可以在極低的電場功耗下，展示出高效的運動能力。聯合研究組巧妙地將高效液態(tài)金屬驅動和變重心機構相結合，開發(fā)出結構簡單緊湊、驅動性能好的新型液態(tài)金屬機器人。研究人員設計了一種具有超疏水表面的極輕半封閉輪式結構，將液態(tài)金屬液滴限制在狹長的輪體內部；通過巧妙設計的隨動微型電極支架施加外部電場驅動輪體內液態(tài)金屬運動，進而持續(xù)改變輪式機器人的重心，驅動輪式機器人滾動。同時，研究人員對所提出的新型液態(tài)金屬機器人做了動力學建模與分析，并通過實驗探索了電解液濃度、施加電壓、液態(tài)金屬體積、輪體結構等參數對機器人運動性能的影響，獲得驅動運動的最佳參數匹配。進一步，通過集成電池系統(tǒng)，研究人員成功設計了新型液態(tài)金屬自驅動輪式移動機器人。這一創(chuàng)新研究有望啟發(fā)一種新型驅動方式，彌補傳統(tǒng)的機器人驅動方式（電機、液壓及氣動等）結構復雜、體積大以及驅動能效低等不足，促進未來微小機器人及特種機器人系統(tǒng)的發(fā)展。

該論文第一作者為中國科大精密機械與精密儀器系碩士生伍健。中國科大張世武、澳大利亞伍倫貢大學博士唐詩楊、蘇州大學李相鵬為共同通訊作者。該課題得到國家自然科學基金項目資助。

近年來，由中國科大、澳大利亞伍倫貢大學和蘇州大學組成的聯合研究組開始研究液態(tài)金屬的驅動特性及其在機器人上的應用，取得了系列進展。聯合研究團隊設計了以液態(tài)金屬液滴作為柔性輪承載及驅動的微型小車，集成電源、控制電路、傳感器以及液態(tài)金屬驅動機構于一體，實現了2D平面內的自主運動，該小車無任何機械傳動，具有運動平滑柔順、無噪聲、低振動、成本低廉、易于制造等特點，有望在自動生產線以及實驗室自動化中大展身手。該成果近日發(fā)表在IEEE Transactions on Industrial Informatics上。此外，聯合研究團隊首次發(fā)現了液態(tài)金屬在外磁場作用下的非常規(guī)運動現象，并揭示了其內在機理。該研究實現了通過外部磁場對不經過任何改性的純液態(tài)金屬的運動控制，豐富了液態(tài)金屬的驅動方法，有利于推動液態(tài)金屬驅動裝置的大規(guī)模應用。該成果也于近日發(fā)表在Soft Matter上。