中国科大基于新型多模态单元实现磁控软体驱动器的模块化设计

来源：中国科学技术大学时间：2025-01-08 13:02:36

近日，中国科学技术大学工程科学学院、人形机器人研究院李木军副教授、张世武教授等提出了一种模块化设计方法，利用多模态单元实现具有复杂变形和丰富功能的磁控软体驱动器的快速设计，拓展了硬磁性软材料在机器人、流体系统、微细操作中的应用。成果以“Annelids-Inspired Modular Design of Multi-Modal Deformation for Magnetic Soft Robots”为题发表在国际期刊《先进功能材料》上。

磁驱动软机器人因其无线可控性、快速响应性和生物安全性在生物医学、机器人和仿生学中得到广泛应用。然而，由于软材料变形的高度非线性和极大自由度，软体机器人的变形和运动控制一直是一个挑战。研究团队受蚯蚓等环节动物的节结构启发，提出了一种具有多模态变形的磁驱动单元，单元集成了收缩、弯曲、扭转、体积变化等多种变形模式，不同变形模式的单元可由同一匀强磁场驱动，从而实现了磁性软材料的简便编程设计，成功解决了磁控软机器人的逆变形设计问题。该工作提出的模块集成设计策略具有多功能性和便利性，推动了硬磁性软材料在智能和集成机械系统中的应用。

图1：磁控软驱动器的模块化单元集成设计

该设计方法实现了磁控软机器人的多场景应用，包括顺应性柔性抓取、软体机器人、流体系统等，拓展了磁控软机器人的应用潜力。研究团队使用收缩模态单元设计了无绳驱动的爬行机器人，可实现速度和方向可控的爬行运动。此外还利用收缩模态单元设计了磁控软泵，避免了传统机械泵的磨损和锈蚀问题，且与电控系统隔离从而避免了在潮湿环境下使用的漏电等危险。利用弯曲模态单元设计的磁控软抓手，具有很强的形状适应性，能够轻松抓取蒲公英、生鹌鹑蛋、鲜花、薯片等脆弱和易变形物体。而利用扭转单元设计的扭转机构，则可以在弯曲狭窄的管道里拆卸螺钉。此外，研究团队还将不同变形模态的单元集成到一个流体系统中，实现泵送、搅拌、输出选择的协同工作。最后，研究团队还可将单元尺寸缩小到微米级，利用收缩和弯曲单元设计了毫米级的磁控钩爪，可深入窄缝中勾取掉落的物品。