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  由柔性材料制成微型軟體機(jī)器人具有可變形、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的無損傷抓取，在微環(huán)境修復(fù)、生物活檢和藥物控制釋放等領(lǐng)域有廣闊應(yīng)用前景。微型軟體機(jī)器人需要邏輯運(yùn)算分析周圍的信息以實(shí)現(xiàn)更加智能的控制，但將傳統(tǒng)電子芯片和電源等器件集成到微型軟體機(jī)器人系統(tǒng)上是一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。

  針對(duì)以上問題，西北工業(yè)大學(xué)張軒博士、孔杰教授提出了一種全新的環(huán)境刺激響應(yīng)性邏輯門途徑，將邏輯運(yùn)算能力整合到微型軟體機(jī)器人中，而無需外加電源輸入和纜線控制，便可實(shí)現(xiàn)微型軟體抓手機(jī)器人的環(huán)境刺激響應(yīng)性智能控制。

圖1 刺激響應(yīng)性水凝膠構(gòu)筑的邏輯運(yùn)算微型軟體抓手機(jī)器人示意圖

  刺激響應(yīng)性水凝膠構(gòu)筑的邏輯運(yùn)算微型軟體機(jī)器人抓手設(shè)計(jì)原理是通過對(duì)抓手結(jié)構(gòu)進(jìn)行立體像素化設(shè)計(jì)，將微型抓手的形變與邏輯門相結(jié)合，隨著抓手結(jié)構(gòu)復(fù)雜度的提高，微抓手邏輯運(yùn)算的復(fù)雜性也隨之提高。通過刺激響應(yīng)水凝膠作為構(gòu)建塊，構(gòu)建了分別執(zhí)行“或”、“與”、“非”、“或非”、“與非”等邏輯門的微型抓取機(jī)器人。雖然水凝膠會(huì)對(duì)不同種類的刺激信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，但它們的輸出結(jié)果相似，水凝膠大小的變化導(dǎo)致了抓手臂的彎曲。因此，邏輯門可以很容易地集成在一個(gè)微型抓手內(nèi)(例如連接一個(gè)“與”門到另一個(gè)“與”門)。此外，雙響應(yīng)水凝膠制作的微型抓手可以在不同的環(huán)境刺激下智能自主地切換“與”門到“或”門。同時(shí)研制了一種具有“與”門的磁性微抓手，它可以通過環(huán)境響應(yīng)邏輯門分析不同的刺激，捕獲和釋放目標(biāo)物體。使用刺激響應(yīng)性水凝膠作為構(gòu)建模塊來制造邏輯微抓手的策略具有靈活性，根據(jù)具體應(yīng)用的需要，刺激響應(yīng)性水凝膠的種類可擴(kuò)展為可以對(duì)電場(chǎng)、光、壓力、氣體和生物分子等外部刺激做出響應(yīng)的多種水凝膠。

研究亮點(diǎn)Ⅰ：使用刺激響應(yīng)性水凝膠作為構(gòu)筑模塊，構(gòu)建了系列能進(jìn)行邏輯運(yùn)算的微型抓取機(jī)器人

圖2 具有YES/NOT邏輯門的微型抓取機(jī)器人設(shè)計(jì)

圖3 兩種輸入信號(hào)邏輯運(yùn)算的微型抓取機(jī)器人的設(shè)計(jì)

研究亮點(diǎn)Ⅱ：在一個(gè)微型抓取機(jī)器人上實(shí)現(xiàn)了多邏輯門的集成，為需要復(fù)雜計(jì)算的高級(jí)系統(tǒng)提供了新路徑

圖4 集成兩個(gè)“與”門的微型抓取機(jī)器人的設(shè)計(jì)

研究亮點(diǎn)Ⅲ：在微型抓取機(jī)器人系統(tǒng)中引入雙響應(yīng)水凝膠，實(shí)現(xiàn)了不同環(huán)境刺激下內(nèi)部邏輯門的智能自主切換

圖5根據(jù)環(huán)境刺激在“或”門和“與”間切換的微型抓取機(jī)器人的設(shè)計(jì)

  綜上可見，該研究提供了一種在微型軟體機(jī)器人中集成邏輯運(yùn)算的方案，通過刺激響應(yīng)性水凝膠作為構(gòu)建塊，構(gòu)建了一系列具有邏輯運(yùn)算能力的微型抓取機(jī)器人。根據(jù)具體應(yīng)用的需要，刺激響應(yīng)性水凝膠的種類可以擴(kuò)展為可以對(duì)電場(chǎng)、光、壓力、氣體和生物分子等外部刺激做出響應(yīng)的多種水凝膠，從而實(shí)現(xiàn)該方案多種特定環(huán)境的應(yīng)用。通過體素化設(shè)計(jì)和體素化制造，可以提高微型抓手邏輯運(yùn)算的復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制。該策略為微型獨(dú)立式材料、致動(dòng)器、軟機(jī)器人的感知、控制和計(jì)算一體化設(shè)計(jì)開辟了新的道路。相關(guān)成果以“Small-scale Soft Grippers with Environmentally Responsive Logic Gates”最新發(fā)表于英國皇家化學(xué)會(huì)材料領(lǐng)域旗艦期刊Materials Horizons上，并被選為當(dāng)期的Back Cover。論文第一作者和共同通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)張軒副教授，通訊作者為西北工業(yè)大學(xué)孔杰教授。

  上述研究工作得到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目，陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃，中國博士后科學(xué)基金面上資助，中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目支持。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D2MH00097K

  下載：Small-scale Soft Grippers with Environmentally Responsive Logic Gates