Multifunktionelle metalliske rygrader til origami-robotik

Origami-robotter kan dannes ved tæt at integrere flere aktiveringsfunktioner, sansning og kommunikation. Men opgaven er udfordrende, da konventionelle materialer, herunder plast og papir, der bruges til sådanne robotdesigns, pålægger begrænsninger for at begrænse tilføjelsesfunktioner. For at installere multifunktionaliteter til systemet skal forskerne typisk inkludere ekstern elektronik, der øger robottens vægt. I en nylig undersøgelse offentliggjort på Videnskab robotik , Haitao Yang og kolleger ved de tværfaglige afdelinger for Chemical and Biomolecular Engineering, Biomedicinsk teknik og elektro- og computerteknik i USA og Singapore udviklede en grafenoxid (GO)-aktiveret skabelonsynteseproces for at producere rekonfigurerbare, kompatibel og multifunktionel metallisk rygrad. Rygraden dannede grundlaget for origami-robotter kombineret med indbygget belastningsføling og trådløs kommunikation. Ved at bruge GO-metoden, forskerne dannede komplekse ædelmetalorigamier som strukturelle replikationer af papirskabeloner.

Forskerholdet kunne reproducere platin-origami-strukturer gjort stabile med tynde elastomerer for at danne multifunktionelle rygrader for at skabe de nye origami-robotter. De nye robotter var mere deformerbare, brandhæmmende og strømbesparende end dem, der er bygget af andre materialer. Yang et al. observerede tilføjede muligheder for de nye platinrobotter (Pt-robotter), inklusive on-demand resistiv opvarmning, strain sensing og indbyggede antenner uden ekstern elektronik. For yderligere funktioner, de inkluderede overvågning eller registrering af robotbevægelser i realtid, trådløs kommunikation mellem robotter, varmeregulering og magnetisk styring. Det nye arbejde berigede robotmaterialebiblioteket til at konstruere alsidige bløde robotter.

Forskere inden for robotteknologi havde tidligere udforsket den gamle japanske origami -kunst til at konstruere kunstige muskler, selvfoldende maskiner, spring origami-systemer og robotmetamorfose. Konventionelt, de brugte cellulosepapir, polyester, polyetheretherketon og polytetrafluorethylen til fremstilling af rygraden til sådanne opfindelser. På trods af den mekaniske støtte, der tilbydes, papir eller plastskelettet manglede funktionaliteter af stimuli -lydhørhed, sansning og trådløs kommunikation. I stedet for at installere eksternt udstyr til at levere sådanne funktioner, forskerhold sigter nu mod at udvikle multifunktionelle bløde robotter til tæt integration. Forskningsindsatsen har endnu ikke vist sådanne prototypiske bløde robotter med ledende origami-rygrad med sanse- og kommunikationspotentiale. Som resultat, forskere er ivrige efter at udvikle en ny fabrikationsordning for at producere mekanisk stabile, blød og ledende robotrygrad.

Under fremstillingsprocessen, Yang et al. brugte grafenoxid (GO) flerlag til at interkalere en række metalion-prækursorer, efterfulgt af højtemperaturudglødning og kalcinering for at producere de højdimensionelle GO-strukturer. Metaloxid-replikaerne inkluderede mikroteksturer, Fritstående tråde og komplekse origamistrukturer med fremragende kemisk kontrol og strukturel replikation. Den foreslåede GO-afledte metode vil give en ny platform til at producere komplekse metalliske arkitekturer som multifunktionelle rygrader til bløde robotter.

Yang et al. konverterede cellulosepapirfilmene eller origamiformerne til en række metalreplikaer ved hjælp af den GO-aktiverede skabelonproces. De fulgte fire hovedtrin under fremstillingsprocessen begyndende med en phoenix-formet skabelon for at danne ædelmetalsalt (Mn) ⁺ ) -interkalerede GO-cellulosekomplekser (M-GO-cellulose). De resulterende metalreplikaer gennemgik yderligere udglødnings- og kalcineringsprocesser under fremstillingen, og forskerholdet kontrollerede dem ved at justere deres kalcineringstemperatur. Forskerne skabte komplekse metalliske origami-strukturer såsom sekskantede honningkager, frøer, blomster, dinosaurer, flyvemaskiner og bælge ved at konvertere forskellige 3D-origami-strukturer fra cellulosepapirform til platinmetal.

For at forbedre den mekaniske stabilitet, de inkluderede tynde elastomerer til metalorigamistrukturerne for stor deformerbarhed og reversibel rekonfiguration. Yang et al. valgte platinmetal på grund af dets effektive strukturelle bevarelse, høj mekanisk fleksibilitet og høj elektrisk ledningsevne sammenlignet med guld (Au) eller sølv (Ag). Holdet optimerede Pt-elastomer-rygraden til høj elektrisk ledningsevne og mekanisk fleksibilitet, for at den resulterende plane Pt-elastomer-komposit kan opretholde store og gentagne deformationer - ideel til bløde robotrygrade. De rekonfigurerbare metalliske rygrader introducerede flere og forskellige funktionaliteter for at danne metamateriale origami-robotter, herunder iboende potentiale for brandmodstand. Forskerholdet testede denne funktion ved at tillade Pt-robotter at opretholde direkte kontakt med en flamme ved længere tids eksponering (800 ⁰ C i 30 sekunder), til sammenligning antændtes en papirrobot på sekunder (mindre end 5 sekunder).

Pt-elastomer-rygraden var tyndere og lettere end cellulosepapirrobotterne, men forblev mekanisk stabil under reversibel robotaktivering. Den papirbaserede robot krævede store trykændringer for at forlænge eller trække sig sammen; hvorimod Pt-robotten kun krævede lavere trykændringer. Yang et al. udviklede derefter den ledende Pt origami -robot til at sende og modtage elektromagnetiske (EM) bølger og tjene som en rekonfigurerbar antenne til trådløs kommunikation. Før fremstilling, forskerholdet simulerede 3D-strålingsmønstre for at udforske brugen af ​​Pt-robotter som strålingsantenner og fremstillede dem derefter. Forskerne viste også trådløs kommunikation mellem to Pt-robotter, der fungerede som afsender og modtager. Når en afsenderrobot sendte pulssignaler ved forskellige frekvenser, modtagerrobotten stationeret 1,2 m væk modtog dem uden frekvensafvigelse mellem de sendte og modtagne signaler.

Holdet sammenlignede fem kategorier af robotegenskaber i arbejdet for at demonstrere tekniske fordele ved at bruge de GO-aktiverede Pt metalliske rygrader i forhold til (1) rygradsdensitet, (2) mekanisk stivhed, (3) energieffektivitet, (4) belastningssensorfunktioner og (5) trådløse kommunikationsmuligheder. Forskerholdet har yderligere optimeret de to Pt-robotter til trådløs kommunikation, hvor en afsenderrobot trådløst leverede navigationsinstruktioner til en modtagerrobot for med succes at omgå en konstrueret forhindring ved at følge en guidet vej.

Holdet udvidede derefter applikationer af systemet ved hjælp af additiv 3-D fremstilling, hvor de kombinerede Pt-Go-celluloseblæk med fused deposition modeling (FDM) til 3-D-print af metalliske, robotiske rygradstøbte former. Efterfølgende de konstruerede Pt-robotter til fjernstyring med magnetfelter. For det, Yang et al. syntetiserede en Pt-replika med Pt-Go-celluloseblæk og infiltrerede polymeropløsningen med magnetiske partikler for at skabe en magnetisk Pt-rygrad. De nye strukturer indeholdt de sædvanlige indbyggede belastningssensorer og trådløse kommunikationsmuligheder, med tilføjet magnetisk bevægelse. De magnetiske Pt-robotter kunne gennemgå reversibel form- og kropstransformation under magnetisk aktivering for at bevæge sig fremad i overensstemmelse med roterende magnetfelter.

På denne måde Haitao Yang og kolleger udviklede en Go-enabled templating synteseprotokol til at producere rekonfigurerbare, kompatibel og multifunktionel metallisk rygrad til at bygge metalliske origami-robotter. Robotterne indeholdt indbygget strain sensing og trådløs kommunikationsfunktioner. De syntetiske metalliske rygrader lavet med komplekse ædelmetaller inklusive sølv, guld og platin var høje strukturelle gentagelser af deres papirmodstykker. Sammenlignet med traditionelt papir og plast, de rekonfigurerbare Pt-elastomer-rygrad tilbød let vægt, deformerbarhed og energieffektivitet. Yang et al. forestille sig praktiske applikationer til metalliske origami-robotter lige fra aktiviteter i højrisikomiljøer, til brug i kunstige muskler og robotarme, og som fjernstyrede ubundne robotter. De sigter mod at optimere metalliske rygrad med elektrokemisk aktive materialer for derefter at danne energilagringsenheder. Sådanne udviklinger vil berige robotmaterialebiblioteket til at fremstille forskellige bløde robotter med højfunktionel integration.

© 2019 Science X Network