普渡大學使用微型 3D 打印創(chuàng)建游泳機器人，僅有頭發(fā)絲細卻達到了創(chuàng)紀錄的速度

導讀：以每秒 2 毫米的速度行進的機器人聽起來并不是特別快，但是當這個機器人僅有人類頭發(fā)絲的寬度時，那么它就是破紀錄的行進速度了！

2023年4月13日，南極熊獲悉，來自普渡大學的研究人員使用微型 3D 打印創(chuàng)建了一款快速游泳機器人，這款使用多材料打印的微型機器人被裝配上了能夠適應環(huán)境的水凝膠尾巴。

這款微型游泳機器人的開創(chuàng)者，普渡大學機械工程系David Cappelleri的教授說：“我們研究移動微型機器人已經(jīng)有10到15年的時間了，從如何設計它們、如何制造它們、如何控制它們，到最終如何使用它們，我們都展開了充分的探索。因為這些機器人非常小，我們無法連接電池或任何其他類型的內(nèi)部電源。所以我們使用磁場從外部為它們供電?！?/div>

這項研究以題為“”的論文被發(fā)表在《IEEE Robotics andAutomation Letters》期刊上。

相關論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LRA.2023.3242164

微型3D打印的游泳機器人

經(jīng)過多年的探索，Cappelleri 的團隊已經(jīng)制造出可以在活結(jié)腸中翻滾的微型機器人，他們還在研究可以負載特定藥物的醫(yī)用機器人。不過，他們最新的挑戰(zhàn)便是本文的主角——游泳機器人。

Cappelleri 說：“我們現(xiàn)在正在嘗試開發(fā)一些更先進的微型機器人原型，它們不僅是剛性物體，而且可以變形、改變并適應環(huán)境?！?/div>

他們團隊最新開發(fā)的微型機器人，即游泳機器人，包含了一個硬磁頭和一個螺旋形的軟水凝膠尾巴，用以模仿細菌、精子和其他生物現(xiàn)象中的游泳行為。他們利用微型 3D 打印技術制造具有交替的軟硬水凝膠區(qū)域的尾巴，使機器人能夠根據(jù)不同的流體環(huán)境做出自適應行為。他們稱之為螺旋自適應多材料微型機器人 (HAMMR)。

Cappelleri 實驗室的學生，這篇研究論文的作者 Liyuan Tan 博士說：“水凝膠是一種柔軟的材料，它會根據(jù)不同的刺激以不同的方式與水發(fā)生反應。一些水凝膠會像海綿一樣膨脹，也有一些是疏水的，這意味著它們排斥水。如果你將這些不同的水凝膠交替放置，它們會扭曲并形成螺旋形狀，這有助于機器人更快地移動。”

△微型 3D 打印允許將多種材料集成到一個微型機器人中，包括以不同角度形成自適應扭曲螺旋尾的不同種類的水凝膠。

但是有一個問題。水凝膠一般是軟的，而磁頭一般是硬的。你如何在如此小的尺度上連接它們？Tan對此表示：“我們想到了結(jié)合兩種不同的微型制造技術的想法。頭部是使用光刻技術制作的，這是一種制造硬微結(jié)構的傳統(tǒng)方法。然后對于尾巴，我們使用了一種稱為雙光子聚合的 3D 打印技術，我們可以使用Nanoscribe PhotonicProfessional GT2裝置來完成?！?/div>

研究人員在普渡大學探索公園的伯克納米技術中心創(chuàng)造了這款微型機器人，這是學術界最先進的微納米制造實驗室之一。

△伯克納米技術中心

Cappelleri 說：“我們所制造的這些微型機器人的寬度僅有 10 到 50 微米，大約是人類頭發(fā)的寬度，你不能僅僅使用螺母和螺栓來連接這兩部分裝置。任何種類的雜質(zhì)或污垢斑點或雜散磁粉都會毀壞機器人。使用 Nanoscribe 3D 打印機，我們不僅能夠連接兩部分裝置，還能針對不同環(huán)境定制螺旋尾部的設計?！?/div>

他們對交替水凝膠的不同角度以及水和異丙醇的不同環(huán)境進行了實驗。一旦他們找到了正確的組合，HAMMR 的游泳速度就超出了他們的預期。Tan 說：“這個機器人達到了每秒 8.1 個身體長度的速度，這是任何現(xiàn)有報道中自適應游泳微型機器人的最快速度?！?/div>

對于這個特定的機器人，8.1 的身體長度大約是每秒 2 毫米，這聽起來不是很快。但是，如果將這個微型機器人轉(zhuǎn)化為 7 米魚雷的規(guī)模，它將成為有史以來在水下航行最快的物體之一。

當然，HAMMR 的最終目標不是速度，而是精度。Cappelleri 說：“第一步是能夠制造這些機器人并在流體環(huán)境中獲得最佳移動性能，而且因為它們具有適應性，我們可以改變它們的幾何形狀以穿過血管或生殖道等小的收縮區(qū)域。我們研究至今的目標就是開發(fā)出可以應用到醫(yī)學治療領域的裝置。例如：利用機器人裝載藥物？或者用它來進行活檢嗎？我們期待著將這些機器人用于人體的許多不同診斷功能?！?/div>

△博士生 Liyuan Tan 和 David Cappelleri 教授利用磁場幫助微型游泳機器人以創(chuàng)紀錄的速度行進。照片來自普渡大學Jared Pike