微小的振動動力機器人是世界上最小的螞蟻的大小

圖片來源：?Feng Yu / Adobe Stock

研究人員創造了一種新型的微型3D印表機器人，通過利用壓電執行器，超聲波源甚至微型揚聲器的振動來移動。成群結隊的這些「微鬃機器人」可能會共同感知環境變化，移動材料 - 或者有一天可能會修復人體內部的傷害。

原型機器人根據其配置響應不同的振動頻率，允許研究人員通過調整振動來控制各個機器人。大約兩毫米長 - 大約是世界上最小的螞蟻的大小 - 機器人可以在一秒鐘內覆蓋自己長度的四倍，儘管它們體積小的物理限制。

喬治亞理工學院電氣與計算機工程學院助理教授Azadeh Ansari說：「我們正在努力使技術更加強大，我們有很多潛在的應用。」 「我們正在機械，電子，生物和物理學的交叉點工作。這是一個非常豐富的領域，並且有很多空間可以用於多學科概念。」

描述微鬃毛疙瘩的論文已被接受在Micromechanics和Microengineering雜誌上發表。這項研究得到喬治亞理工學院電子和納米技術研究所的種子基金的支持。除了安薩里，研究團隊還包括喬治W.伍德拉夫機械工程學院副教授Jun Ueda和研究生DeaGyu Kim和Zhijian（Chris）Hao。

微刷毛機器人由粘合在聚合物主體上的壓電致動器組成，該聚合物主體使用雙光子聚合光刻（TPP）進行3D列印。執行器產生振動並由外部供電，因為沒有電池足夠小以適應機器人。振動還可以來自機器人移動的表面下方的壓電振動器，超聲波/聲納源，或甚至來自微型聲學揚聲器。

振動使彈性腿向上和向下移動，推動微型機器人前進。每個機器人都可以根據腿部尺寸，直徑，設計和整體幾何形狀設計，以響應不同的振動頻率。振動的幅度控制微型機器人移動的速度。

「隨著微鬃機器人上下移動，垂直運動通過優化腿的設計轉化為定向運動，看起來像刷毛，」安薩里解釋說。「微型機器人的腿部設計有特定的角度，允許它們在一個方向上彎曲和移動，以響應振動。」

使用TPP工藝在3D印表機中製造微刷毛機器人，TPP工藝是聚合單體樹脂材料的技術。一旦被紫外光照射的樹脂塊部分化學顯影，剩餘部分就可以被沖走，留下所需的機器人結構。

「這是寫作而不是傳統的平版印刷術，」安薩里解釋說。「你留下了用激光寫在樹脂材料上的結構。現在這個過程需要很長時間，所以我們正在研究如何將其擴展到一次製造數百或數千個微型機器人。」 一些機器人有四條腿，而其他機器人有六條腿。第一作者DeaGyu Kim製作了數百個微小的結構來確定理想的配置。

使用材料鋯鈦酸鉛（PZT）的壓電致動器在施加電壓時振動。相反，當它們被振動時，它們還可以用於產生電壓，當它們被外部振動致動時，微鬃機器人可以用來為板載感測器供電。

安薩里和她的團隊正在努力通過將兩個稍微不同的微鬃毛機器人連接在一起來為機器人增加轉向能力。因為每個連接的微型機器人將響應不同的振動頻率，所以可以通過改變頻率和振幅來控制該組合。「一旦你擁有一個完全可操縱的微型機器人，你可以想像做很多有趣的事情，」她說。

安薩里指出，其他研究人員致力於利用磁場產生運動的微型機器人。雖然這對於一次移動整個群體很有用，但是磁力不能輕易用於解決群內的個體機器人。安薩里和她的團隊創造的微型機器人機器人被認為是由振動驅動的最小的機器人。

微刷機器人長約2毫米，寬1.8毫米，厚0.8毫米，重約5毫克。3D印表機可以生產更小的機器人，但質量減小，微小設備和表面之間的附著力會變得非常大。有時，微型機器人不能與用於拾取它們的鑷子分開。

安薩里和她的團隊已經建立了一個「遊樂場」，當研究人員更多地了解他們可以做什麼時，多個微型機器人可以在其中移動。他們也有興趣開發可以跳躍和游泳的微型機器人。

「例如，我們可以看看螞蟻的集體行為，並將我們從中學到的東西運用到我們的小機器人身上，」她補充說。「這些微型鬃毛機器人在實驗室環境中行走得很好，但在他們進入外部世界之前我們還有很多工作要做。」

（來源：喬治亞理工學院）

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