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一种适用于柔性软机器人的新型金属材料

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“折纸机器人”是最先进的软,柔性机器人,已经过测试,可用于各种应用,包括人体药物输送,灾难环境中的搜索和救援任务以及类人机器人手臂。

因为这些机器人需要灵活,所以它们通常由柔软的材料制成,例如纸,塑料和橡胶。为了发挥功能,通常会在顶部添加传感器和电气组件,但这会增加设备的体积。现在,一个由NUS研究人员组成的团队开发了一种新颖的方法来创建一种用于这些软机器人的新型金属基材料。

这种新材料将铂等金属与烧纸(灰烬)结合在一起,具有增强的功能,同时又保持了传统纸和塑料的可折叠性和轻便性。实际上,新材料的重量是纸的一半,这也使其具有更高的功率效率。

这些特性使这种材料成为制造柔韧而轻巧的假肢的强有力的候选者,该假肢的重量比传统假肢轻60%。这样的假肢可以提供实时的应变感测,以反馈有关其弯曲程度的信息,从而为用户提供更好的控制和即时信息-无需外部传感器,否则将给假肢增加不必要的重量。

这种轻巧的金属骨架比用于制造折纸机器人的传统材料轻至少三倍。它还具有更高的能源效率,使折纸机器人能够以比原来少30%的能源来更快地工作。此外,这种新型材料具有耐火性,使其能够在大约800°C的高温下燃烧长达5分钟,因此适合制造在恶劣环境下工作的机器人。


另外一个优点是,这种新型导电材料具有按需提供的地热加热功能-通过该材料发送电压会导致其发热,这有助于防止机器人在寒冷环境中工作时结冰。这些属性可用于创建轻巧灵活的搜索救援机器人,这些机器人可以进入危险区域,同时提供实时反馈和通信。

这种金属基材料是由研究小组开发的一种新工艺生产的,该工艺称为“氧化石墨烯启用的模板合成”。首先将纤维素纸浸入氧化石墨烯溶液中,然后再将其浸入金属离子(例如铂)制成的溶液中。然后将材料在惰性气体氩气中于800°C,然后在500°C的空气中燃烧。

最终产品是一层薄的金属-90微米(0.0m)或0.09mm-由70%的铂和30%的无定形碳(灰分)组成,其柔韧性足以弯曲,折叠和拉伸。这一重大研究突破已于2019年8月28日发表在科学杂志《科学机器人》上。也可以使用其他金属,例如金和银。

小组组长助理陈宝仁教授在研究中使用了切成凤凰形状的纤维素模板。美国国立大学化学与生物分子工程系的陈教授说:“我们受到了神话中生物的启发。就像凤凰一样,它可以被燃烧成灰烬,重生变得比以前更强大。”
该团队的材料可以充当机械稳定,柔软和导电的骨架,从而使机器人具备应变感应和通讯功能,而无需外部电子设备。具有导电性意味着该材料充当其自身的无线天线,从而使其可以与远程操作员或其他机器人进行通信,而无需外部通信模块。这扩大了折纸机器人的范围,例如在高风险环境(例如化学泄漏和火灾)中作为远程束缚式机器人或用作人造肌肉或人形机器人手臂而工作。

“我们对不同的导电材料进行了试验,最终得出了一种独特的组合,可以实现最佳的应变感应和无线通信能力。因此,我们的发明扩展了用于制造高级机器人的非常规材料库,”杨海涛博士说。化学与生物分子工程系和该研究的第一作者。

在研究的下一步中,陈副教授及其团队正在研究为金属骨架增加更多功能。一个有前途的方向是结合电化学活性材料来制造能量存储设备,使得该材料本身就是其自身的电池,从而允许创建自供电机器人。该团队还在试验其他金属,例如铜,这将降低材料的生产成本。

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