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華科大丁漢院士-吳志剛教授團(tuán)隊(duì) Nat. Commun.：昆蟲尺度水面推進(jìn)器
2024-02-28  來(lái)源：高分子科技

  自然界的生物經(jīng)過(guò)數(shù)十億年的進(jìn)化和選擇，通過(guò)其優(yōu)雅的結(jié)構(gòu)、巧妙的機(jī)制和卓越的性能在地球各種環(huán)境中取得了空前的成功。這一成功不僅激發(fā)了各領(lǐng)域研究人員的靈感，也催生了許多令人興奮的研究領(lǐng)域和實(shí)用產(chǎn)品。在自然界中，有一類隱翅蟲（Stenus Comma），當(dāng)受到天敵威脅時(shí)，能夠在水面上迅速獲得高速度和加速度，從而逃脫危險(xiǎn)，如圖1。這種行為為昆蟲尺度的水面推進(jìn)器的設(shè)計(jì)和操控提供了極佳的仿生對(duì)象。


圖1 隱翅蟲迅速逃離天敵的生物行為


  研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)系統(tǒng)地解析隱翅蟲的跨尺度結(jié)構(gòu)來(lái)理解這一現(xiàn)象：i. 在宏觀尺度上，隱翅蟲擁有柔順靈巧的腹部結(jié)構(gòu)，可用于按需控制活性劑（動(dòng)力物質(zhì)）；ii. 在介觀尺度上，其非浸潤(rùn)剛毛結(jié)構(gòu)保證了在水面上的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)；iii. 在微觀尺度上，大量的導(dǎo)管結(jié)構(gòu)用于液體成分的內(nèi)部運(yùn)輸。這些跨尺度的結(jié)構(gòu)有助于實(shí)現(xiàn)隱翅蟲高速、按需的快速驅(qū)動(dòng)行為，如圖2。 


圖2 跨尺度的系統(tǒng)級(jí)仿生思路


  基于這一想法，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入軟體可實(shí)時(shí)磁驅(qū)尾巴、超疏水表面、尾部各項(xiàng)異性的纖維束等結(jié)構(gòu)，并協(xié)同的引入了一對(duì)額外的解耦的磁驅(qū)“定向芯片”。通過(guò)跨尺度系統(tǒng)級(jí)仿生和人造結(jié)構(gòu)增強(qiáng)構(gòu)建了一個(gè)昆蟲尺度水面推進(jìn)器（Uni-SoPro），如圖3所示。它可以實(shí)現(xiàn)在單一3D的可編程磁場(chǎng)（三維赫姆霍茲線圈）驅(qū)動(dòng)下，按需實(shí)現(xiàn)極高的加速度（8372 BL/s2）、速度（201 BL/s）和減加速度（-5010 BL/s2）的推進(jìn)和制動(dòng)行為。該Uni-SoPro昆蟲尺度水面推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)了類似的隱翅蟲緊急情況下高速逃逸行為（視頻1）。 


圖3 昆蟲尺度水面推進(jìn)器及其超高的按需推進(jìn)和剎車性能 



視頻1 高速相機(jī)下的超高速的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)


  通過(guò)跨尺度系統(tǒng)級(jí)仿生和人造結(jié)構(gòu)的增強(qiáng)，研究團(tuán)隊(duì)解決了這個(gè)尺度基于表面張力梯度主導(dǎo)的水面推進(jìn)器難以多次實(shí)時(shí)按需運(yùn)動(dòng)的難題，實(shí)現(xiàn)了綜合運(yùn)動(dòng)性能幾個(gè)量級(jí)的突破。（視頻2-4：綜合運(yùn)動(dòng)性能指標(biāo)CKPI: 1.6×106 BL2/s3和減加速度~-5,010 BL/s2）。


視頻2 高速相機(jī)下的超高速的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)


 視頻3 高速相機(jī)下的制動(dòng)運(yùn)動(dòng)


 視頻4 高速相機(jī)下的制動(dòng)運(yùn)動(dòng)（側(cè)視）


  研究人員通過(guò)對(duì)其推進(jìn)和制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行了水動(dòng)力學(xué)建模和計(jì)算流體分析，解析了其通過(guò)姿態(tài)快速轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)能衰減的原理，實(shí)現(xiàn)了其超越生物的超高減速度的制動(dòng)行為，視頻5。 


視頻5 CFD分析


  此外，研究人員通過(guò)對(duì)推進(jìn)過(guò)程進(jìn)行解析和運(yùn)動(dòng)建模，可對(duì)其運(yùn)動(dòng)進(jìn)行多段離散的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃（視頻6），并且可以通過(guò)預(yù)編程的方式無(wú)任何碰撞的通過(guò)具有時(shí)間和空間約束的動(dòng)態(tài)迷宮水域（視頻7）。詳細(xì)的研究介紹如視頻8所示。 


視頻6 軌跡規(guī)劃 



視頻7 軌跡規(guī)劃

 


視頻8 工作介紹


  該項(xiàng)研究源于華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院丁漢院士-吳志剛教授軟體智能研究團(tuán)隊(duì)（圖2），博士生柯星星為第一作者，博士生雍昊臣、碩士生徐富康共同作者。該研究得到了國(guó)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項(xiàng)目“機(jī)器人化智能制造”（No. 52188102）的支持。該工作也同時(shí)感謝中山大學(xué)先進(jìn)制造學(xué)院吳嘉寧教授、華中科技大學(xué)材料學(xué)院閆春澤教授、清華大學(xué)周成博士生等對(duì)于該工作提供的幫助和指導(dǎo)！


  相關(guān)論文鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-024-45997-3

  實(shí)驗(yàn)室主頁(yè)：www.softintel.top

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