深圳先進(jìn)院等提出可實現(xiàn)多模態(tài)、快速及超靈敏抓取的可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器
近日,中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院醫(yī)工所微創(chuàng)中心李英田副研究員課題組,與同濟(jì)大學(xué)、北京郵電大學(xué)在IEEE/ASME Transactions on Mechatronics上合作發(fā)表了題為Reprogrammable Bistable Actuators for Multimodal, Fast, and Ultrasensitive Grasping的文章。中國科學(xué)院為唯一完成單位,深圳先進(jìn)院副研究員李英田為主要通訊作者。
抓持作為動物和機(jī)器人的基本功能,對于捕食和物體操縱具有重要意義。隨著軟性機(jī)器人技術(shù)在過去幾十年的迅猛發(fā)展,軟性夾持器由于其較高的柔韌性與適應(yīng)性在材料、尺度、驅(qū)動方法、結(jié)構(gòu)配置等各個領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。然而,大多數(shù)軟性夾持器被認(rèn)為在實際應(yīng)用中速度太慢。以軟性氣動執(zhí)行器為例,它們的速度受到需要大量充氣以創(chuàng)建變形以及需要讓這些氣體體積通過狹窄管道所需的大黏性力的限制。在不損害功能的前提下實現(xiàn)高速夾持仍然是一個挑戰(zhàn)。
研究團(tuán)隊提出了一種基于折展型可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器,能夠?qū)崿F(xiàn)抓持器跨尺度的、快速的、多樣化的、選擇性的抓取。該雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器可進(jìn)行編程使其處于穩(wěn)態(tài)與臨界態(tài)之間的中間態(tài)且降低能量勢壘,當(dāng)外界施加的觸發(fā)力使結(jié)構(gòu)存儲的應(yīng)變能突破能量勢壘時,雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)將發(fā)生失穩(wěn)并快速躍變至另一穩(wěn)態(tài)。與傳統(tǒng)的雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)不同,超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)在切換穩(wěn)態(tài)時采用了一種中間位置的拉動策略。這種設(shè)計使得機(jī)構(gòu)可以根據(jù)中間位置的高度調(diào)節(jié)內(nèi)部能量,并通過微小的外界擾動實現(xiàn)快速切換到下一個穩(wěn)態(tài),靈敏度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
為了驗證可折展型超可調(diào)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的能力,研究團(tuán)隊進(jìn)行了一系列實驗,結(jié)果表明,當(dāng)重新編程為超靈敏狀態(tài)并降低最小能量壁壘時,誘發(fā)快速切換所需的觸發(fā)力可以降低到其最大值的0.005倍以下。在此過程中,僅需要0.001毫焦的最小能量來觸發(fā)13.1毫焦的快速能量釋放,利用該特性可以實現(xiàn)對不同重量物體的選擇性抓取。在水下環(huán)境中,超靈敏狀態(tài)的夾持器能夠在0.18秒內(nèi)對游動的魚類的接觸做出響應(yīng)并進(jìn)行捕獲。
該工作設(shè)計的可折疊型可編程雙穩(wěn)態(tài)執(zhí)行器頗具潛力,可以應(yīng)用于各個領(lǐng)域,如生產(chǎn)制造、醫(yī)療保健、救援任務(wù)等。這項技術(shù)的發(fā)展將推動機(jī)器人領(lǐng)域的創(chuàng)新,并提供一個更加高效和精確的抓取解決方案。
附件下載: