可重編程的變形電磁軟機器人超材料

2020-10-03 柔智燴

可重編程的變形電磁軟機器人超材料

變形磁性軟機器人在微創醫學，可穿戴設備和軟機器人器人中具有多種應用。然而，大多數磁性編程方法固有地與製造過程耦合，因此它們阻止了機器的可重新編程性。

在《Science Advances，》的新報告中，Yunus Alapan和德國，土耳其，瑞士和美國的多學科研究團隊描述了一種高通量的磁性編程策略。為此，他們將含有嵌入鐵磁性顆粒的軟磁性材料加熱到嵌入顆粒的居裡溫度以上，並通過在冷卻過程中施加外部磁場來重新定向其磁疇。該團隊展示了具有高空間解析度的離散，三維和可重編程磁化強度。然後，使用可重新編程的功能，他們配置了三個對象的機械行為-膨脹的超材料結構，表面行走機器人的可調運動和對柔性抓手的自適應抓取。

磁性軟機器人的熱輔助3D磁性編程。（A）由嵌入PDMS的磁性CrO2顆粒組成的磁性軟彈性體通過雷射被局部加熱到顆粒的居裡溫度以上。在居裡溫度以上，粒子失去永久磁化強度，並且在冷卻過程中通過施加外部磁場使磁化方向重新定向。室溫，室溫。（B）在1.7 s內將磁性軟彈性體加熱到CrO2顆粒的居裡溫度（118°C）以上，並在4 s內冷卻至該溫度的一半。（C）通過熱輔助磁化將磁性軟彈性體以90％的效率磁化，並且僅通過加熱到居裡溫度以上而無任何外部磁場的方式來消磁。誤差棒代表平均值的SD。（D到G）將磁性軟彈性體的實例切成具有尾巴和翅膀的物體（D）以及具有相應磁化方向（由紅色箭頭指示）的六足物體（E）的形狀，並且平面磁通剖面測量。彩色條表示磁通密度強度。（F和G）在磁驅動時，各個零件的形狀會根據其編程的磁化方向發生變化。比例尺，2毫米。插圖顯示了在沒有磁場的情況下結構的初始形狀。（H和I）將帶有翅膀和腿部的物體堆疊起來，以在磁驅動時生成3D分層蜻蜓結構。比例尺，2毫米。通過沿黑色箭頭指示的方向施加60 mT的磁場來執行結構的致動。

變形材料和開發電磁軟機器人

包括光，溫度，溼度，pH值以及聲場或電磁場在內的外部刺激可以控制形狀變形的材料，從而形成微型微型機器人，從而在跨學科研究中具有重要的未來應用領域。軟磁性材料包含可編程的形狀變形，可實現快速，可逆和複雜的變形。施加的磁場可以在軟磁性材料上產生扭矩，以使所有疇的磁化方向與磁場方向對齊。結果，研究人員可以在軟磁機中創建磁化的空間分布，以在磁場下產生可編程的形狀變形。在這項工作中，Alapan等人。引入了一種通用策略，該策略使用嵌入二甲基矽氧烷（PDMS）彈性體中的二氧化鉻（CrO 2）納米粒子在電磁軟機器人中編碼可編程形狀變形指令。

二氧化鉻是居裡溫度為118的鐵磁材料攝氏度，可以在大多數彈性體的功能溫度範圍內進行熱輔助磁重編程。該團隊準備了CrO 2 / PDMS磁性彈性體複合材料片材，以得到最終的磁彈性膜，並使用具有可調功率的準直近紅外（NIR）雷射器加熱了材料表面。在直徑為1.3毫米的加熱點下，最短的加熱-冷卻周期為5.7秒。該團隊可以通過在沒有磁場的情況下加熱到CrO 2顆粒的居裡溫度以上來逆轉過程並使材料局部或完全消磁，以實現非侵入式的磁編程和重編程效果。

磁性軟結構的離散和3D磁化強度。（A到D）進行四段環（A），八段環（B），a的磁激勵時，分布的3D磁化強度，面外磁通密度分布測量，有限元模擬和實驗形狀變化半球（C）和立方體結構（D）。比例尺，1毫米。通過在黑色箭頭指示的方向施加60 mT的磁場進行驅動。

概念驗證軟機器人器人

作為實驗模型，Alapan等人開發了一種平面六邊形帶翼和尾巴的磁性軟彈性體薄膜，並通過改變3-D方向使結構離散磁化，從而在磁性控制下形成3-D"蜻蜓"。3-D磁輪廓可以在磁場下轉換為複雜的3-D形式。因此，該團隊使用計算模型產生了具有指定磁化強度分布的複雜3D形狀變換。然後，他們對軟機器人進行磁性重新編程，以優化其多功能性。例如，科學家開發了一種熱輔助磁化策略來按需對軟結構進行編程，在這種情況下，他們展示了一個帶有3D磁化編碼身體，肩膀，手臂和頭部在磁力驅動下經歷複雜的轉變。

還重新編程了製片人結構的磁化輪廓，以重新配置其頭部和手臂。然後他們在本地對內部材料的行為進行了重新編程，以促進高級活性超材料的設計和優化。重新編程技術使他們能夠控制單個單元以及隨之而來的機械性能。

科學家們強調了簡單編程對演示靈活機器人的重要性。這些示例強調了在開發軟機器人器人過程中正確使用遠程和非侵入性重新編程來優化材料行為的情況。然後他們在本地對內部材料的行為進行了重新編程，以促進高級活性超材料的設計和優化。重新編程技術使他們能夠控制單個單元以及隨之而來的機械性能。科學家們強調了簡單編程對演示靈活機器人的重要性。這些示例強調了在開發軟機器人器人過程中正確使用遠程和非侵入性重新編程來優化材料行為的情況。然後他們在本地對內部材料的行為進行了重新編程，以促進高級活性超材料的設計和優化。重新編程技術使他們能夠控制單個單元以及隨之而來的機械性能。科學家們強調了簡單編程對演示靈活機器人的重要性。這些示例強調了在開發軟機器人器人過程中正確使用遠程和非侵入性重新編程來優化材料行為的情況。

熱輔助磁化和磁驅動裝置。（A，B）磁化設置包括一個電動平臺，一個可以360°旋轉的NdFeB永磁體，一個3D磁性霍爾效應傳感器以及一個帶有準直器的功率可調光纖耦合NIR雷射器。（C）對於磁性致動，將圓盤形磁體（直徑60毫米，厚度10毫米）沿垂直或水平方向移動，或在致動平臺下方旋轉。（D）Halbach陣列由如圖所示排列的16個永磁體（10mm×10mm×10mm）組成，用於產生用於磁場驅動的均勻磁場。

微型機器人應用

在這項工作中開發的微型機器人和機器的基礎將具有從生物工程到微創醫學的多種應用。磁性編程的形狀變形可以建立用於高級運動和控制的新型微系統。Alapan等。通過將NIR雷射束尺寸通過顯微鏡物鏡聚焦在200 µm以下，可以縮小熱輔助磁化方法的程序，以對微結構進行編程。使用聚焦雷射加熱，他們可以用六個花瓣磁化一個柔軟的結構，以產生同步的花瓣變形。此後，他們進一步對啟用了光掩模的微圖案雷射加熱進行編程，以生成特定的關注字母。

在微尺度上對軟材料進行熱輔助磁性編程。（A）以期望的模式在磁性軟彈性體（MSE）上掃描聚焦的雷射點，以產生精確控制的局部加熱，以對該材料上的磁化曲線進行編程。（B和C）將具有六個花瓣（寬度為150μm，長度為500μm，厚度為30μm）的示例軟結構放置在微柱上。紅色箭頭指示花瓣的磁化方向。磁力驅動（60 mT）導致花瓣沿相反方向變形。（D）準直雷射器可以一次通過含有該期望形狀的微圖案的掩模在目標磁性軟彈性體上加熱期望形狀。（E和F）通過這種微模式雷射加熱對示例性磁編程樣品的磁通密度測量。最小的磁性圖案的寬度為80μm。比例尺，250μm。（G）通過整體加熱，一次發射所需的磁輪廓的接觸轉移。磁性軟彈性體被放置成與居裡溫度較高的NdFeB磁體直接接觸，並以不同的結構排列並被加熱到CrO2的居裡溫度以上。在冷卻過程中，NdFeB磁體的磁化方向會轉移到磁性軟彈性體上。（H和I）不同示例形狀和配置的NdFeB母板以及軟磁性彈性體從體的磁通密度測量。比例尺分別為500μm和1 mm。（J）密涅瓦幾何圖案中複雜磁化曲線的接觸轉移。插圖顯示了磁性軟彈性體從動件的磁通密度分布的特寫視圖。最小的磁圖案寬度為38μm。彩色條表示磁通密度強度。比例尺分別為1 mm和250μm。

通過這種方式，Yunus Alapan及其同事建立了熱輔助編程，以高空間解析度對形狀變形進行無創編程。該團隊使用離散的3D磁化強度開發了各種磁性軟機器人械，從起伏的遊泳者和爬行者到多臂抓爪。科學家們展示了具有編程域的3D磁性超材料的行為如何在外部磁場下經歷複雜的形狀變化。由於基於雷射的加熱對於在人體中對軟磁機進行重新編程是不可行的，因此Alapan等人（2006年）提出將3-D磁化方法納入微創醫療應用中的高通量編程應用。

科學家還可以通過將電能遠程傳遞到位於軟機器人器人上的彈性體上的接收器線圈來實現遠程選擇性加熱。具有可重新編程的複雜形狀轉換的新型軟機器人將使各種應用受益，從醫療機器人到可穿戴式健康監測設備以及受生物啟發的微型機器人。

Science Advances，doi：10.1126 / sciadv.abc6414

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