局部寻址追踪——磁性软执行器阵列系统

研究背景

软材料在机电一体化中的使用开辟了广阔的设计空间，允许开发新的机器类别。相关的发展已经改变了一系列工程学科的模式，推动了从笨重、僵硬的结构向灵活、轻便的集成组件的过渡，如生物机器人、触觉、外科手术和微型机器人。磁场作为驱动这种软机器的主要方式之一已经得到广泛研究。

磁性软机器(MSM)由具有可编程磁性的软元件组成如磁共振聚合物和小尺寸电磁线圈。这些元件对磁场的反应可以调解 MSM 的多种机械行为，同时允许它们保持简单的结构，允许激光加工和装配。

MSM 的磁化曲线决定了其在磁场中的反应。特别是，可通过在模具中磁化、印刷磁畴、磁重编程或磁体编程来对磁共振聚合物的致动响应进行编程。一般来说，MSM 被设计为在磁场中工作，同时利用周围的场拓扑结构。

远场MSMs在距离几十厘米的电磁铁或永久磁铁阵列产生的磁场中工作。这些 MSMs可以作为非系留或系留装置工作，由磁共振聚合物或小型电磁线圈制成。尽管远场 MSMs 在其工作空间内具有高度的移动性，但工作空间的便携性与磁场发生系统的便携性有关，后者通常是笨重的系统，便携性有限。因此，远场 MSM 通常被建议用于工作空间可移动性不那么重要的应用，而小型化和无绳操作是有利的，如生物医学应用，如抓手、肌肉、支架、导丝和药物输送装置。尽管被证明具有挑战性，但仍有一些积极的探索，旨在实现对多个远场 MSM 的独立和协作控制，包括调制相位或频率响应，基于形状的磁各向异性刚性变化，或以系统复杂性为代价操纵场拓扑结构。在后一种情况下，如果认为梯度可以忽略不计，独立控制远场 MSMs (通常用磁扭矩驱动) 需要每个效应器有3 个自由度 (DOF)。因此，尽管大型线圈的电阻相对较低，但独立控制远场 MSMS所需线圈数量和所需驱动电流(随距离增加而增加) 的增加导致了高功率消耗。

研究成果

磁共振复合材料和 (电)磁执行器方面的进展导致了磁性软机器 (MSMs)的发展，作为小型机器人设备的构建块。近场 MSM 通过将场源和效应器靠近，提供能源效率和紧凑性。目前，近场 MSM 的挑战是效应器运动的可编程性、尺寸、执行协作任务的能力和结构灵活性有限。在此，Denys Makarov & Sarthak Misra教授等人展示了一类新的近场 MSM，它将微观厚度的柔性平面线圈与磁共振聚合物效应器相结合。超薄制造和效应器的磁编程被用来调整它们对线圈表面非均质近场分布的响应。这些 MSMs 被证明可以在相互靠近的情况下提升、倾斜、拉动或抓取。这些超薄 (80 μm)和轻质 (100 gm-2)的MSMs 可以在高频率 (25 Hz)和低能耗(0.5 W)下工作这是MSMs 在便携式电子产品中使用的要求。相关研究以“Locally Addressable Energy Efficient Actuation of Magnetic Soft Actuator Array Systems”为题发表在Advanced Science期刊上。

图文导读

Figure 1. Design and fabrication of near-field magnetic soft machines (MSMs).

Figure 2. Examples of individual near-field magnetic soft machines (MSMs).

Figure 3. Magnetic soft machines (MSMs) as magnetic soft actuator array systems.

Figure 4. A flexible tip functionalized for payload grasping and release using near-field magnetic soft machines (MSMs).

总结与展望

在这项研究中，作者提出了针对超薄柔性线圈产生的电磁近场的非均质轴向和径向分布而定制的磁共振聚合物效应器。这种方法有几个优点。首先，电磁近场源与磁共振聚合物效应器的结合将磁共振聚合物的小型化能力和磁性可编程性与电磁近场的时间控制相结合。第二，效应器和线圈的灵活性允许将 MSM 集成到灵活的便携式表面。第三，局部近场允许在近距离内对阵列中的 MSM 进行独立驱动。此外，基于模型的磁共振聚合物效应器的优化改善了驱动响应，并允许利用线圈的全部功能表面区域。作者报告了这种近场 MSM，它将单层平面线圈与磁共振聚合物效应器 (以下称为“效应器")结合起来。这些灵活、超薄 (80-300 微米)、轻质 (100 gm-2，包括效应器和线圈)、低功率要求 (低至500 mW)和快速 (25 Hz)的机器在近场和梯度分别为 2 mT和1 Tm-1的情况下运行。作者展示了基于近场模型，在模拟施加的扭矩和力的基础上计算特定任务的磁化曲线。这种方法与基于夹具的磁化和基于装配的制造相结合，产生了能够提升、倾斜、推、拉和抓取的效应器。此外，展示了近场 MSM 在空气和水环境中的操作、近距离的独立驱动、协同操作，以及在便携式柔性曲面上的集成以提供功能化。

文献链接

Locally Addressable Energy Efficient Actuation of Magnetic Soft Actuator Array Systems

https://doi.org/10.1002/advs.202302077

转自：“i学术i科研”微信公众号

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