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研究人员开发具有医学潜力的软电磁致动器

2021年08月18日 黄冈机械设备网

研究人员开发具有医学潜力的软电磁致动器

刚性电磁执行器具有多种应用,但是其体积大的特性限制了人与执行器的集成或人机协作。在关于科学进步的新报告中。

郭永勇和奥地利林茨约翰·开普勒大学软质物理和软材料领域的科学家团队介绍了软电磁致动器(SEMA),以嵌入在金属中的液态金属通道代替固态金属线圈弹性壳中国机械网okmao.com。

科学家展示了用户友好,简单且可扩展的结构,具有快速和持久的可编程性。

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他们设计了一个基于SEMA的软微型鲨鱼和一个带有独立控制花瓣的多层螺旋花,以及一个立方体SEMA以执行任意运动序列。

该团队采用了一个数值模型来支持设备的小型化,并通过提高机械效率来降低功耗。SEMA是电控制的形状记忆系统,其应用程序可为微创医疗应用提供软性抓。

科学家们强调了小尺寸和多线圈SEMA在医学上有希望的应用的实用性,就像经典科幻电影《神奇旅程》中的”,其中微型潜水艇摧毁了血块以挽救患者的生命。实际上,Mao等人旨在开发和部署基于SEMA的先进微型机器人,用于包括药物在内的未来医疗应用纳米精度的生物传递和组织诊断。

机器人及其应用

机器人被积极地引入各种技术领域,从工业生产到自动运输,公共安全,以及作为医学的个人助手,与人类紧密接触。机器人通过引导磁共振成像(MRI)进行手术的使用正受到关注,未来的应用将寻求促进安全的人机交互。

自从1821年迈克尔·法拉第(Michael Faraday)展示了基本的电动马达以来,构成传统机器人核心的电磁马达发生了许多变化。

用于此类设备的诸如铜或铁之类的刚性材料的相互作用可能会对与人体的协作产生危害,这对开发对各种触发器(包括热,湿度)敏感的新型和软功能执行器构成了主要缺陷。pH,光和电场或磁场。

此外,软功能执行器受到响应速度慢和在实际应用中难以精确控制的限制。因此,对结构和材料进行改造以进行工程设计更为实用。软电磁致动器(SEMA)。

由SEMA驱动的游泳软鲨。SEMA充当尾翼。驱动电流为方波,频率为3 A @ 4 Hz。鱼被放置在磁体的中心,鱼的轴线沿着板状磁体的不对称轴线。打开和关闭电流会驱使鲨鱼穿水。设计和开发高性能软电磁致动器(SEMA)

在这项工作中,毛等人。提出了几种设计和开发高性能软电磁致动器的方法,这些致动器为机器人的软形式提供动力。他们探索了六种主要的设计策略,其中新型的SEMA用嵌入在柔软弹性体外壳中的液态金属通道代替了常规直流(DC)电机的坚硬结构。

按照其工作原理,当电流通过导电通道时,单线圈方形SEMA将弯曲,从而使其可用作软机器人的电动机。他们使用低于1 V的驱动电压,这是无害的,甚至允许水下功能。科学家用由SEMA制成的鳍和尾巴制成的游泳鲨鱼证明了这一概念。毛等。将SEMA建模为磁场中的一系列导线,并根据洛伦兹力定律,并检查了磁场的分布,以设计和激活SEMA。

在这项工作中,研究小组使用了一块平板磁铁,并通过实验和模拟对定量磁场进行了表征。结果表明,需要较低的电阻来运行SEMA,Mao等人(2002年)。通过使用液态金属作为结构中的可拉伸导体来实现。他们将模塑作为一种节俭的方法进行了整合,以实现精确图案化的弹性体和密封良好的液态金属通道。

单线圈方形SEMA的特性。在1至3 A的直流电流下,SEMA的旋转角度(A)在模拟中预测,而(B)在实验中观察到。(C)SEMA的旋转角度作为电流的函数,用于实验和仿真。(D)对于三个特定的直流电流值(1、2和3 A),SEMA的表面温度随时间变化。(E)在方波电流作用下,弯曲的SEMA的最大旋转角度,其幅度和频率都变化。插图:最大旋转角度受执行器接触地面的限制。(F)在1 A的电流下以5 Hz进行的疲劳测试。在测试开始和结束时的电压降与时间的比较表明,第一个弯曲周期和第2.16 Mth弯曲周期完全重叠,证明了其高耐久性SEMA。信用:

优化SEMA以改善性能和概念验证应用

通过增加实验中的磁场,科学家们增加了驱动结构的应变能。它们也可以通过增加电流幅度来增加SEMA的应变能,尽管焦耳热效应可能会增加装置中的热量和温度。该团队通过添加诸如铜之类的导电颗粒来改善设备性能,从而降低了SEMA的电阻。

然后进行了一系列驱动频率测试,以研究SEMA的性能。他们使用了长时间的疲劳测试(在5 Hz频率下启动60小时),并展示了单线圈方形SEMA如何在不改变性能的情况下弯曲216万次。然后,科学家通过多种技术将SEMA小型化。

鱼尾SEMA的功能。像SEMA这样的鱼尾被放置在水箱的底部,以证明在水中安全运行,并且由于较低的驱动电压而无需额外隔离。放置在水箱下方的平板磁铁施加的磁场使SEMA在施加3 A方波电流时像鱼尾一样摆动。

在实验开始时滴入水中的固体蓝色染料迅速混合,说明了SEMA的高性能。

为了进一步确定SEMA的力量,该团队建造了一个双线圈方形,以提供比单线圈版本更大的力量。SEMA的最大输出功率约为57 mW,而最大功率密度达到5.3 mW / g。随着时间的流逝,效率随着电流的增加而降低,而大多数功率则作为热量散发到环境中。

经过优化,团队注意到与其他类型的软功能执行器相比,SEMA具有显着的灵活性。作为概念验证,他们开发了几种构造,包括搅拌器形式的鱼尾SEMA和带有五个花瓣的花朵SEMA。多线圈花SEMA表现出高度的可编程性,每个花瓣充当单个花瓣,可在任意磁场中起作用。

多线圈花SEMA由五个可单独控制的单踏板组成。对单个花瓣进行电流从0到5 A切换的动态模拟显示了一个单个花瓣的变形。此外,单个花瓣被顺序地致动,并且所有它们同时被致动。花瓣以10毫秒,50毫秒,100毫秒和1 s的时间间隔一一驱动,显示出我们的SEMA出色的动态性能。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.abc0251。

这样,郭永勇及其同事介绍了一系列用于高度控制的快速致动的SEMA,它们的软体和低驱动电压在与生物体和易碎物体接触时不会发生干扰。实验和理论分析预测,SEMA将在强磁场下保持高能量密度,功率密度和效率。

对SEMA进行了有效控制并易于编程,从而可以像花SEMA所示,对复杂执行器中的软机器人元件进行单独操作。进一步的数值和实验分析使研究小组可以提高结构的功率输出和机械效率。这项新工作将在精确的药物输送,组织诊断和细胞处理方面得到广泛应用。