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脉冲驱动机器人:通过孤波运动

作者:佚名    来源:互联网    发布时间:2020-05-17 09:34    浏览量:

科学家们最近探索出了非线性波的独特特性,以促进包括减轻冲击、非对称传输、开关和聚焦等广泛的应用。在目前发表在《Science Advances》上的一项新研究中,Bolei Deng和来自哈佛大学、美国国家科学研究中心(CNRS)以及Wyss生物启发工程研究所的科学家团队利用非线性波的传播实现柔性结构爬行。他们将生物启发的实验和理论方法结合起来,展示了这种脉冲驱动的运动方式如何在发起的脉冲是孤波(solitons)时达到最大效率。这项工作中开发的简单机器可以在很多的表面上移动和持续前行。该研究扩大了非线性波的可应用范围,为柔性机器提供了一个新的平台。

由于其出色的静态响应和支持大振幅弹性波的能力,能够产生较大变形的柔性结构在生物工程中引起了人们的注意。通过准确控制它们的几何形状,高变形系统的弹性能量可以被设计成传播各种非线性波,包括矢量电磁波、过渡波和稀发脉冲。这种结构的动态行为展示了非常丰富的物理学,同时提供了操纵机械信号传播的新机会。这种机制可以实现单向传播、波导、机械逻辑和缓解等应用。

在这项工作中,Deng等人从蚯蚓的生物逆向蠕动波运动和线性弹性波在超声波电机中产生运动的能力中得到启发。该团队展示了非线性弹性波在柔性结构中的传播,为运动提供了机会。作为概念的证明,他们把重点放在了一个Slinky(一种螺旋弹簧玩具)上,并利用它制造了一个能够自我推进的脉冲驱动机器人。他们通过将Slinky连接到气动执行器上,制造出了这个简单的机器。该团队使用一个电磁铁和一个嵌入环路之间的板子来启动非线性脉冲沿着设备从正面向背面传播,让脉冲的方向性决定了这个简单的机器人向前移动。研究结果表明,这种脉冲驱动的运动效率在孤波(大振幅非线性脉冲沿传播速度恒定且形状稳定的大振幅非线性脉冲)的情况下,其效率是最佳的。该研究扩大了孤波(solitons)的应用范围,同时展示了如何将其作为简单的底层引擎来辅助灵活的机器运动。

为了制造出Slinky机器人,Deng等人使用了一个长度为50毫米、90环的金属吊杆,然后测试并了解如何探索其内在的灵活性,制造出一个能够运动的简单机器。他们将两个吊杆串联在一起(100毫米,180圈),以一个气动执行器、一个电磁铁和三块亚克力板为基础的简单驱动策略。他们可以使用气动执行器拉伸和缩短设置,同时保持电磁铁的状态。该团队通过将机器放置在一个光滑的表面上,用高速摄像机监测机器的反应,测试了机器的反应。然后,Deng等人关闭了磁场,试图打破对称性,使机器爬行。由于环路碰撞时能量耗散较大,他们没有观察到Slinky中的反射波,反而观察到机器人有明显的向前运动。因此,该团队探索了弹性波引入的方向性使机器人运动,即使是在摩擦系数相同的情况下,也是如此。

然而,试图通过弹性脉冲使柔性机器爬行的实验条件并不理想。例如,他们注意到在关闭电磁铁后立即出现了倒退。为了限制这种运动,Deng等人增加了Slinky机器人头部的质量,同时优化了数值以确定一个最佳范围。在设置中,Slinky机器人在前部和装载板之间保持了10个环路。该团队将装载板和前板之间的最大距离指定为Ain,近似于100mm。为了了解机器人的效率如何在Ain = 100 mm时达到最大,Deng等人仔细研究了大振幅脉冲通过Slinky的传播情况。

对于这些实验,他们集中在一个单一的Slinky上,并监测了位于每一个其他环路的绿色标记的位置。然后,他们通过在前面附近预拉伸10个环路,并关闭电磁铁,发起向后面传播的弹性波。通过测试,该团队通过监测每个环路的位移,收集到了更深层次的脉冲传播情况。科学家们意识到了该机器人的两大特点;1)向后传播的波浪使Slinky的质量中心向前移动;2)Slinky支持大振幅孤波的传播。

为了进一步了解实验结果,Deng等人建立了一个数学模型,表示单个回路的质量和弹性。计算结果与实验结果非常吻合,模型证实了实验观察结果。分析结果进一步证实了Slinky机器人的效率在发起的波是孤子时达到了最大。孤独脉冲的非分散性和紧凑性使其能够将气动执行器提供的能量转移到运动中,从而获得最有效的脉冲驱动运动。

通过这种方式,Deng等人展示了后向传播的孤子如何有效地使Slinky机器人向前移动。尽管无肢体生物之前已经给工程师们带来了生物灵感,设计了各种机器人,但该团队认为这项工作是第一个依靠弹性脉冲移动的机器人系统。该研究中提出的原理与超声波电机的原理不同,因为弹性Slinky机器人使用非线性脉冲波来改变质量中心的位置,相比之下,超声波电机是由线性正弦波驱动的。该团队在这项工作中只专注于直线前行爬行,但他们可以探索Slinky机器人的灵活性,以实现一系列的运动。

该团队接下来打算通过扭动装置后面的最后一环来实现机器人的转向,并控制转向角度,同时强调了现有的机器人在大范围的表面上移动的可能性。虽然Deng等人在这项工作中只使用了一个Slinky来实现脉冲驱动的运动,但其原理是通用的,可以扩展到跨尺度的可拉伸系统,为适合医疗应用的微尺度爬行器人开辟了一条道路。

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