來(lái)源：【科學(xué)網(wǎng)】
一個(gè)比跳蚤還小的“螃蟹”機(jī)器人站在硬幣的側(cè)邊上。 受訪者供圖
史上最小的遙控步行機(jī)器人來(lái)了，它們只有半毫米寬，體積還不及一個(gè)跳蚤，可以行走、彎曲、扭曲、拐彎和跳躍。
這些小可愛(ài)們能在狹窄空間內(nèi)執(zhí)行重要任務(wù)。比如在微創(chuàng)手術(shù)中扮演手術(shù)助手的角色，由于體型非常小，它們可以輕而易舉進(jìn)入人體開(kāi)展工作——清除阻塞的動(dòng)脈、止血或消除惡性腫瘤等等。
這種微型機(jī)器人的創(chuàng)造者，是同為美國(guó)西北大學(xué)冠名講席教授的黃永剛、John A. Rogers，以及清華大學(xué)航天航空學(xué)院教授張一慧帶領(lǐng)的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)。這個(gè)研究組合堪稱(chēng)豪華，其中黃永剛是中國(guó)科學(xué)院外籍院士，美國(guó)國(guó)家科學(xué)院、美國(guó)國(guó)家工程院、美國(guó)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院三院院士；John A. Rogers則是美國(guó)四院院士。相關(guān)研究發(fā)表在5月25日的Science子刊Science Robotics。
運(yùn)動(dòng)模式多樣，動(dòng)作十分敏捷
大自然給了人類(lèi)無(wú)限啟發(fā)，科學(xué)家通過(guò)小鳥(niǎo)發(fā)明了飛機(jī)、根據(jù)魚(yú)的身體結(jié)構(gòu)發(fā)明潛水艇……這項(xiàng)研究的靈感也來(lái)源于一些爬行類(lèi)小動(dòng)物或者昆蟲(chóng)，例如螃蟹、蜘蛛、尺蠖、蟋蟀和甲蟲(chóng)。
“我們做了很多種不同形態(tài)的微型機(jī)器人，大家印象最深的是長(zhǎng)得像螃蟹一樣的機(jī)器人，它們爬行起來(lái)的確很有趣?！闭撐耐ㄓ嵶髡邚堃换墼诮邮堋吨袊?guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)介紹。
最令人驚訝的是，這些微型機(jī)器人動(dòng)作十分敏捷，快速變形可以達(dá)到每秒10次，行走的平均速度是每秒走一半的身體長(zhǎng)度。
在黃永剛看來(lái)，要在如此小的機(jī)器人身上實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)極具挑戰(zhàn)性。
因此，研究團(tuán)隊(duì)在選材上做了很多考量，最終使用了一種形狀記憶合金材料，把它與二氧化硅和一款骨架材料共同作用，能夠把形狀“記憶”下來(lái)，幫助達(dá)到塑形的目的。
和常規(guī)的機(jī)器人不同，這款微型機(jī)器人并非由復(fù)雜的硬件、液壓或電力驅(qū)動(dòng)。它的力量在于身體的彈性，靠的是熱驅(qū)動(dòng)。張一慧介紹，用激光掃描機(jī)器人，因?yàn)槠浣M裝材料熱膨脹系數(shù)各不相同，加熱后材料間的熱學(xué)失配可以驅(qū)動(dòng)小機(jī)器人不斷變換形態(tài)，從而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。
“正是由于這些結(jié)構(gòu)非常小，所以熱量傳播發(fā)生在瞬間，其冷卻速度也非常快，冷卻后微型機(jī)器人又會(huì)恢復(fù)如初?！盝ohn A. Rogers解釋說(shuō)，這就是為什么它們能做出快速響應(yīng)的原因。
激光不僅能遠(yuǎn)程控制機(jī)器人動(dòng)起來(lái)，激光掃描的方向還決定了機(jī)器人行走的方向。例如，你從左往右掃描，機(jī)器人就會(huì)從右向左行走。
而且，每款形態(tài)的機(jī)器人，做出的動(dòng)作也千差萬(wàn)別?！巴ㄟ^(guò)不同的形態(tài)設(shè)計(jì)，依賴(lài)腿的協(xié)調(diào)和變形的控制，能讓機(jī)器人擁有不同的運(yùn)動(dòng)模式，比如爬行、跳躍、拐彎、走路等運(yùn)動(dòng)模式。”張一慧說(shuō)。
小機(jī)器人將有大作用?！八鼈兛梢栽谖?chuàng)手術(shù)中扮演手術(shù)助手的角色，由于體型非常小，它們可以輕而易舉進(jìn)入人體開(kāi)展工作——清除阻塞的動(dòng)脈、止血或消除惡性腫瘤等等?！盝ohn A. Rogers說(shuō)。
基于一套方法的N次創(chuàng)新
讓有腿的機(jī)器人能夠跳躍和爬行，已不是什么難事，然而要在這么小的尺度上開(kāi)展，之前根本做不到。
這個(gè)團(tuán)隊(duì)之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，是基于一種微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝方法。這種方法最早在2015年以封面論文的形式發(fā)表于Science，黃永剛、John A. Rogers和張一慧是論文的通訊作者。
論文一經(jīng)發(fā)表引起了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，成果很快被Science、Nature等期刊在專(zhuān)欄中報(bào)道，同時(shí)得到Chemistry Views、IOP Physics World、Nano Today等專(zhuān)業(yè)機(jī)構(gòu)追蹤，還受到BBC、Discovery News等媒體報(bào)道。
這套方法一炮而紅，這也是國(guó)際上首次將可控力學(xué)屈曲引入至微尺度的復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)組裝，實(shí)現(xiàn)了從二維微納米薄膜到三維細(xì)微觀結(jié)構(gòu)的高精度組裝。
其原理聽(tīng)起來(lái)并不復(fù)雜?！芭c傳統(tǒng)操作不同，我們并不是直接把三維形態(tài)制作出來(lái)，而是先制作一些二維形態(tài)的結(jié)構(gòu)，也就是平面的薄膜圖案，然后給它施加一些力學(xué)載荷，讓它很巧妙地變成目標(biāo)三維結(jié)構(gòu)?！睆堃换劢榻B，就像折疊立體圣誕卡，打開(kāi)之后三維結(jié)構(gòu)會(huì)彈起來(lái)。
在這個(gè)過(guò)程中，還有一個(gè)重要角色，即一個(gè)由非常柔軟的彈性聚合物（比如硅膠、橡膠等）做的組裝平臺(tái)。這種材質(zhì)拉伸性很強(qiáng)，可以拉到很大，便于將平面薄膜圖案在上面進(jìn)行壓縮。
張一慧說(shuō)，之前提到的制作微型機(jī)器人的三種材料，就是在這樣的組裝平臺(tái)上，通過(guò)壓縮力的作用，從二維結(jié)構(gòu)變成三維結(jié)構(gòu)，并在材料本身特殊“記憶”能力的加持下，成功固形。“只有復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)才能做出復(fù)雜的動(dòng)作，就像我們研制出的‘螃蟹’機(jī)器人一樣?！?/p>
鑒于在三維微結(jié)構(gòu)組裝領(lǐng)域的貢獻(xiàn)，2017年，Nature Reviews Materials專(zhuān)門(mén)邀請(qǐng)這一國(guó)際研究團(tuán)隊(duì)撰寫(xiě)關(guān)于三維細(xì)微觀結(jié)構(gòu)成形方法的綜述論文，介紹了這一套力學(xué)組裝方法，也讓科學(xué)界更加了解這些方法的應(yīng)用范圍、最新進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)。
該方法適用的材料范圍非常廣，比如半導(dǎo)體硅、金屬、陶瓷、聚合物、塑料等各種材料類(lèi)型，而且適用于各個(gè)特征尺度下的材料組裝，比如從納米到分米，輕松打造微小結(jié)構(gòu)造型。
研究團(tuán)隊(duì)做了很多種不同形態(tài)的微型機(jī)器人。 受訪者供圖
“也就是說(shuō)，通過(guò)這種制造方法，我們可以開(kāi)發(fā)出各種形狀和大小的步行機(jī)器人，這是一個(gè)有趣的突發(fā)奇想。”張一慧說(shuō)。
興趣使然，不停探索
“走上科研這條路，完全是興趣使然。”張一慧一直對(duì)科研抱著崇敬和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，他想結(jié)合國(guó)家和社會(huì)的需求開(kāi)展一些有用的研究，希望利用自己的學(xué)科背景知識(shí)，去解決一些技術(shù)難點(diǎn)和關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。
他出生在安徽蕪湖市南陵縣，本科畢業(yè)于南京航空航天大學(xué)，在清華大學(xué)航天航空學(xué)院工程力學(xué)系取得碩士和博士學(xué)位，這個(gè)時(shí)期主要研究先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)的變形和失效行為。
2011年，張一慧來(lái)到美國(guó)西北大學(xué)，先后任博士后和研究助理教授。在這期間，黃永剛對(duì)張一慧的影響很大?！拔液苄疫\(yùn)能進(jìn)入黃永剛老師課題組學(xué)習(xí)。黃老師是無(wú)機(jī)柔性電子技術(shù)的開(kāi)創(chuàng)者之一。”張一慧說(shuō)。
他刻苦鉆研的精神和卓越的才華受到導(dǎo)師的賞識(shí)。在黃永剛的指導(dǎo)下，他逐漸介入柔性電子技術(shù)，迸發(fā)出一些靈感，并與John A. Rogers課題組合作發(fā)展出屈曲力學(xué)引導(dǎo)的微尺度三維結(jié)構(gòu)組裝技術(shù)。
除了這篇論文里的微型機(jī)器人，研究團(tuán)隊(duì)還將這套組裝技術(shù)拓展用于研制可重構(gòu)三維微電子器件、低頻振動(dòng)能量收集器、仿生微電子飛行器等新型微器件，相關(guān)系列成果陸續(xù)在頂級(jí)刊物作為封面文章發(fā)表。
研究團(tuán)隊(duì)在三維微結(jié)構(gòu)組裝方向發(fā)表的代表性封面文章。 受訪者供圖
例如，去年9月發(fā)表在Nature期刊封面上的一種帶翼微芯片，就是該團(tuán)隊(duì)研發(fā)出的有史以來(lái)最小的人造飛行結(jié)構(gòu)。正如美國(guó)佐治亞理工大學(xué)教授V.V. Tsukruk評(píng)價(jià)的那樣，該組裝技術(shù)在生醫(yī)器件、微電子等領(lǐng)域有重要應(yīng)用前景。
“能與頂尖的科學(xué)家一起做科研，我倍感榮幸。因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間合作，我們已經(jīng)有了默契，跟著他們學(xué)習(xí)，我也積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)?！睆堃换郾硎?。
目前，這項(xiàng)微型機(jī)器人研究還處于探索階段，下一步研究團(tuán)隊(duì)還會(huì)做些工作讓它們能與人更好地交互，融入智能化，賦予機(jī)器人更多的智慧。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/scirobotics.abn0602
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03847-y
https://www.nature.com/articles/natrevmats201719
https://www.science.org/doi/10.1126/science.1260960
本文來(lái)自【科學(xué)網(wǎng)】，僅代表作者觀點(diǎn)。全國(guó)黨媒信息公共平臺(tái)提供信息發(fā)布傳播服務(wù)。
ID：jrtt
