由于自然界中生命的演變不折不扣，生物往往表現(xiàn)出對(duì)復(fù)雜環(huán)境的高度適應(yīng)性，例如超快運(yùn)動(dòng)資源優勢、偽.裝和群體合作高效利用。生物運(yùn)動(dòng)的研究對(duì)仿生機(jī)器人以及醫(yī)療設(shè)備構(gòu)建等工程領(lǐng)域具有重要啟示作用大數據。基于此講實踐，人們致力于開(kāi)發(fā)新的仿真工具數字技術、物理模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)來(lái)模擬和研究這些自然運(yùn)動(dòng)模式。然而市場開拓，許多不同尺度的生物表現(xiàn)出非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)步態(tài)措施，例如多種基本運(yùn)動(dòng)的耦合。這些步態(tài)難以用現(xiàn)有的軟體機(jī)器人平臺(tái)模擬要落實好，而且這些平臺(tái)通常缺乏解耦復(fù)雜生物行為的策略緊密相關，使得理解生物運(yùn)動(dòng)的機(jī)制具有挑戰(zhàn)性。 近日先進技術，香港中文大學(xué)張立教授課題組聯(lián)合北京計(jì)算科學(xué)研究中心丁陽(yáng)教授課題組以及美國(guó)卡耐基梅隆大學(xué)Carmel Majidi教授課題組提出一種磁性軟體機(jī)器人平臺(tái)用于重建和解耦復(fù)雜生物運(yùn)動(dòng)培訓。該磁性軟體機(jī)器人可以通過(guò)模板法或者3D打印工藝制造。該工作中使用了面投影微立體光刻技術(shù)(nanoArch S130, 摩方精密)打印一種節(jié)肢型的水凝膠磁性機(jī)器人宣講手段，機(jī)器人身體由磁性段（由摻雜磁性顆粒的聚丙烯酰胺水凝膠制成）和非磁性段（由聚丙烯酰胺水凝膠制成）組成重要工具。機(jī)器人的尺寸為長(zhǎng)度5 mm、長(zhǎng)寬比11:1配套設備。采用時(shí)變磁場(chǎng)來(lái)誘導(dǎo)軟體機(jī)器人的敏捷運(yùn)動(dòng)更優質。通過(guò)該軟體機(jī)器人平臺(tái)以及可編程的磁場(chǎng)輸入，該研究團(tuán)隊(duì)可以重建出搖蚊的幼蟲所啟發(fā)的運(yùn)動(dòng)步態(tài)并對(duì)這類型的生物運(yùn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)的解耦研究推進高水平。相關(guān)研究成果以“Decoupling and reprogramming the wiggling motion of midge larvae using a soft robotic platform” 為題發(fā)表于期刊《Advanced Materials》脫穎而出。 

通過(guò)構(gòu)建的磁性軟體機(jī)器人系統(tǒng)，該研究團(tuán)隊(duì)揭示了機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)的相互耦合在其推進(jìn)中起著關(guān)鍵作用好宣講，以這種仿生推進(jìn)方式游動(dòng)可以誘導(dǎo)與自然生物一致的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)註入新的動力，并在中等雷諾數(shù)狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)性能。此外，磁性軟體機(jī)器人能夠在流動(dòng)的環(huán)境中逆流而行雙重提升，通過(guò)切換其運(yùn)動(dòng)模式來(lái)適應(yīng)三維環(huán)境，以及實(shí)現(xiàn)其他功能長遠所需，包括越障能力和在狹窄空間中的運(yùn)動(dòng)能力求索。與通過(guò)磁場(chǎng)梯度直接將機(jī)器人驅(qū)動(dòng)到指.定位置的磁力控制策略相比讓人糾結，軟體機(jī)器人可以靈巧地控制其變形和運(yùn)動(dòng)模式規模。 總結(jié)而言，這項(xiàng)工作提供了一個(gè)磁性軟體機(jī)器人平臺(tái)基石之一，使其能夠?qū)o(wú)脊椎動(dòng)物的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)進(jìn)行解耦和重新編程聯動，并掌握它們的基本機(jī)制。這也為設(shè)計(jì)具有復(fù)雜耦合步態(tài)的游動(dòng)軟機(jī)器人提供了新的思路共同努力。

圖1. 軟體機(jī)器人的磁場(chǎng)控制和運(yùn)動(dòng)分析行業內卷。（A）機(jī)器人的模板輔助磁化方式追求卓越；（B）沿著機(jī)器人中心線的磁通密度分布；（C）軟體機(jī)器人在不同靜態(tài)磁場(chǎng)下的變形和轉(zhuǎn)向參與能力；（D）用于控制軟體機(jī)器人的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)合理需求；（E）軟體機(jī)器人在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)序列。
 

圖2. 軟體機(jī)器人的流場(chǎng)動(dòng)力學(xué)模擬和流場(chǎng)可視化分析充分發揮。（A）在一個(gè)周期內(nèi)軟體機(jī)器人的瞬時(shí)速度高質量；（B）軟體機(jī)器人質(zhì)心軌跡的實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果；（C）在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)施加到機(jī)器人身體上的凈流體力選擇適用；（D）流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的可視化管理。

圖3. 軟體機(jī)器人平臺(tái)用于解耦復(fù)雜生物運(yùn)動(dòng)。（A）機(jī)器人身體卷曲和旋轉(zhuǎn)之間的相位差對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響業務指導；（B）機(jī)器人身體的轉(zhuǎn)動(dòng)角度對(duì)運(yùn)動(dòng)性能的影響改進措施；（C）磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響；（D）磁場(chǎng)頻率f2/f1 對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能和前進(jìn)速度的影響長足發展；（E）磁場(chǎng)頻率feq對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能的影響今年。（F）機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方向和磁場(chǎng)方向角的關(guān)系。

圖4. 軟體機(jī)器人的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)結構不合理。（A）機(jī)器人沿著五角星軌跡的可控運(yùn)動(dòng)良好；（B）機(jī)器人在動(dòng)態(tài)環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)機遇與挑戰；（C）機(jī)器人的三維游動(dòng)和避障行為推動；（D）機(jī)器人在狹窄空間內(nèi)運(yùn)動(dòng)認為；（E）機(jī)器人通過(guò)多種模式運(yùn)動(dòng)探索三維空間提升行動。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202109126