普渡大學(xué)使用微型 3D 打印創(chuàng)建游泳機(jī)器人，僅有頭發(fā)絲細(xì)卻達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的速度

導(dǎo)讀：以每秒 2 毫米的速度行進(jìn)的機(jī)器人聽起來并不是特別快，但是當(dāng)這個(gè)機(jī)器人僅有人類頭發(fā)絲的寬度時(shí)，那么它就是破紀(jì)錄的行進(jìn)速度了！

2023年4月13日，南極熊獲悉，來自普渡大學(xué)的研究人員使用微型 3D 打印創(chuàng)建了一款快速游泳機(jī)器人，這款使用多材料打印的微型機(jī)器人被裝配上了能夠適應(yīng)環(huán)境的水凝膠尾巴。

這款微型游泳機(jī)器人的開創(chuàng)者，普渡大學(xué)機(jī)械工程系David Cappelleri的教授說：“我們研究移動(dòng)微型機(jī)器人已經(jīng)有10到15年的時(shí)間了，從如何設(shè)計(jì)它們、如何制造它們、如何控制它們，到最終如何使用它們，我們都展開了充分的探索。因?yàn)檫@些機(jī)器人非常小，我們無法連接電池或任何其他類型的內(nèi)部電源。所以我們使用磁場從外部為它們供電�！�

這項(xiàng)研究以題為“”的論文被發(fā)表在《IEEE Robotics andAutomation Letters》期刊上。

相關(guān)論文鏈接：https://doi.org/10.1109/LRA.2023.3242164

微型3D打印的游泳機(jī)器人

經(jīng)過多年的探索，Cappelleri 的團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出可以在活結(jié)腸中翻滾的微型機(jī)器人，他們還在研究可以負(fù)載特定藥物的醫(yī)用機(jī)器人。不過，他們最新的挑戰(zhàn)便是本文的主角——游泳機(jī)器人。

Cappelleri 說：“我們現(xiàn)在正在嘗試開發(fā)一些更先進(jìn)的微型機(jī)器人原型，它們不僅是剛性物體，而且可以變形、改變并適應(yīng)環(huán)境。”

他們團(tuán)隊(duì)最新開發(fā)的微型機(jī)器人，即游泳機(jī)器人，包含了一個(gè)硬磁頭和一個(gè)螺旋形的軟水凝膠尾巴，用以模仿細(xì)菌、精子和其他生物現(xiàn)象中的游泳行為。他們利用微型 3D 打印技術(shù)制造具有交替的軟硬水凝膠區(qū)域的尾巴，使機(jī)器人能夠根據(jù)不同的流體環(huán)境做出自適應(yīng)行為。他們稱之為螺旋自適應(yīng)多材料微型機(jī)器人 (HAMMR)。

Cappelleri 實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生，這篇研究論文的作者 Liyuan Tan 博士說：“水凝膠是一種柔軟的材料，它會(huì)根據(jù)不同的刺激以不同的方式與水發(fā)生反應(yīng)。一些水凝膠會(huì)像海綿一樣膨脹，也有一些是疏水的，這意味著它們排斥水。如果你將這些不同的水凝膠交替放置，它們會(huì)扭曲并形成螺旋形狀，這有助于機(jī)器人更快地移動(dòng)�！�

△微型 3D 打印允許將多種材料集成到一個(gè)微型機(jī)器人中，包括以不同角度形成自適應(yīng)扭曲螺旋尾的不同種類的水凝膠。

但是有一個(gè)問題。水凝膠一般是軟的，而磁頭一般是硬的。你如何在如此小的尺度上連接它們？Tan對此表示：“我們想到了結(jié)合兩種不同的微型制造技術(shù)的想法。頭部是使用光刻技術(shù)制作的，這是一種制造硬微結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)方法。然后對于尾巴，我們使用了一種稱為雙光子聚合的 3D 打印技術(shù)，我們可以使用Nanoscribe PhotonicProfessional GT2裝置來完成。”

研究人員在普渡大學(xué)探索公園的伯克納米技術(shù)中心創(chuàng)造了這款微型機(jī)器人，這是學(xué)術(shù)界最先進(jìn)的微納米制造實(shí)驗(yàn)室之一。

△伯克納米技術(shù)中心

Cappelleri 說：“我們所制造的這些微型機(jī)器人的寬度僅有 10 到 50 微米，大約是人類頭發(fā)的寬度，你不能僅僅使用螺母和螺栓來連接這兩部分裝置。任何種類的雜質(zhì)或污垢斑點(diǎn)或雜散磁粉都會(huì)毀壞機(jī)器人。使用 Nanoscribe 3D 打印機(jī)，我們不僅能夠連接兩部分裝置，還能針對不同環(huán)境定制螺旋尾部的設(shè)計(jì)�！�

他們對交替水凝膠的不同角度以及水和異丙醇的不同環(huán)境進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。一旦他們找到了正確的組合，HAMMR 的游泳速度就超出了他們的預(yù)期。Tan 說：“這個(gè)機(jī)器人達(dá)到了每秒 8.1 個(gè)身體長度的速度，這是任何現(xiàn)有報(bào)道中自適應(yīng)游泳微型機(jī)器人的最快速度�！�

對于這個(gè)特定的機(jī)器人，8.1 的身體長度大約是每秒 2 毫米，這聽起來不是很快。但是，如果將這個(gè)微型機(jī)器人轉(zhuǎn)化為 7 米魚雷的規(guī)模，它將成為有史以來在水下航行最快的物體之一。

當(dāng)然，HAMMR 的最終目標(biāo)不是速度，而是精度。Cappelleri 說：“第一步是能夠制造這些機(jī)器人并在流體環(huán)境中獲得最佳移動(dòng)性能，而且因?yàn)樗鼈兙哂羞m應(yīng)性，我們可以改變它們的幾何形狀以穿過血管或生殖道等小的收縮區(qū)域。我們研究至今的目標(biāo)就是開發(fā)出可以應(yīng)用到醫(yī)學(xué)治療領(lǐng)域的裝置。例如：利用機(jī)器人裝載藥物？或者用它來進(jìn)行活檢嗎？我們期待著將這些機(jī)器人用于人體的許多不同診斷功能�！�

△博士生 Liyuan Tan 和 David Cappelleri 教授利用磁場幫助微型游泳機(jī)器人以創(chuàng)紀(jì)錄的速度行進(jìn)。照片來自普渡大學(xué)Jared Pike