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美国陆军采用增材制造技术制造仿生机器人柔性致动器
2018-04-20

    [据ARL网站4月12日报道]    美国陆军研究实验室(ARL)联合明尼苏达大学(UMN)开展项目研究,成功从无脊椎动物身上寻求灵感,制造出首个完全采用增材制造、可调参数(如结构柔性、形态和致动力)的介电弹性体致动器(DEA),较现有同类致动器,弯曲幅度提高三倍,为仿生柔性机器人的按需制造奠定了基础。

    隐秘行动对于取得军事优势极为重要,有效的隐秘机动需要具备高度的结构柔性以及分布控制,能够模拟生物形态与适应性且长时间运转,以便潜入狭窄或受限空间。而美国陆军目前所使用的刚性结构机器人并不适合在城市环境中开展军事行动,两个主要的局限性限制了其进行柔性仿生运动:其一是这些机器人缺乏动态柔韧性,因为它们大多装有刚性的机械和电子部件;其二是刚性机器人需要复杂的机械结构和电子电路来实现主动致动以及复杂的运动模式。为克服当前军用机器人系统材料的刚性和运动限制,ARL联合UMN展开了该项目研究。

    在项目的起始阶段,研究团队首先研究了模拟无脊椎动物运动的新方法,这为其结构设计提供了的启发,使得软分布式致动电路能够在没有骨骼支撑的情况下实现大幅弯曲运动。为了系统地了解各项参数的重要性,首先由UMN采用增材制造技术制造并测试与自然界中类似致动器的原型,其分布式致动电路包含柔软的弹性材料,物理性质与生物有机体(如头足类和蠕虫)类似。然后由ARL建立通用模型,对每个参数进行研究并预测最优致动机制。最终明确了使柔性仿生致动器实现大幅弯曲运动的两个关键机制:一是利用材料与力的非线性相互作用,优化材料的物理性质(力学和几何),从而实现运动增幅;二是通过分布式致动电路,增强电场与非线性结构刚度间的机电耦合。

    该研究同时为士兵提供了一个可用于生产功能材料和设备的制造平台,士兵可以采用增材制造设备随时随地根据需求制造柔性致动器,这种完全采用增材制造技术制造的致动器,不需要装配、干燥、退火等后处理步骤。士兵仅需极少的专业技术、采用基本材料,即可充分发挥柔性DEA在狭小复杂空间的优势。这项研究表明,柔性致动器可以成为战场增材制造的主要候选产品。

    研究人员的下一步工作目标是提出理论并制定实验,明确仿生组织内部影响与致动作用之间的相互关系,最终制造出可根据外部条件和内部因素实时调整形态和特性的,具自我感知能力的柔性机器人。

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