当蒸汽机与机器人结合,会发生什么?

  会变成软体蒸汽机!

  它以光为驱动,以水为燃料,将光能转化为热能,使水蒸发并推动水面游动。

  根据光照强度的变化自动调整游泳姿势,不仅自身无污染,还能处理污水和清理漂浮物!

  这是由著名材料学家殷亚东团队开发的一种软体浮游机器人,以水黾为灵感,用蒸汽机原理运动,该文章发表在Science Robotics 上,论文题为《用于自适应振动和仿生游泳的光驱动软体蒸汽机》(Light-poweredsoft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming)。

  ▍光驱动软体蒸汽机:以光为驱动,以水为燃料

  光驱动有什么好处呢?

  机器人可以不受导线限制,运动更灵活、更自由,运动范围更广泛。

  光驱动软体蒸汽机由三层聚合物薄膜组成,自上而下分别为聚酰亚胺、聚丙烯酰胺水凝胶和聚二甲基硅氧烷。

  其中,上层的聚酰亚胺的热膨胀系数较小,而最下层的聚二甲基硅氧烷的热膨胀系数较大,两种材料都是疏水性的,使得生成的薄膜能够漂浮在水面上;中间的水凝胶层可用于储藏大量水分、以及包埋四氧化三铁和铜(Fe3O4/Cu)复合纳米棒,该纳米棒能够将光转换成热。

  在光的照射下,纳米棒发热,将软体蒸汽机的温度带动起来,由于下层材料的热膨胀系数较高,薄膜会先向上弯曲。

  在持续光照下,温度逐渐升高,直到周围的水开始蒸发,研究人员借助高速摄像机,观察到这时在顶层和水凝胶层之间会形成蒸汽泡,使薄膜稍微向下到不平衡状态;然后气泡膨胀到薄膜时,蒸汽被释放,导致薄膜再次恢复到平衡状态,这种连续的蒸汽产生和释放可以在薄膜中产生持续的机械振荡,来驱动软体机器人在水面上的浮游。

  ▍主动适应光线强度,自动调整游泳姿势

  光游起来还不够,如何让机器人主动响应光线强度的变化呢?

  答案就在振动频率上,只要能控制薄膜的振动频率和振幅,就能改变机器人的运动速度和方向。

  而振动产生的频率和振幅,取决于蒸汽泡的产生和释放速率,这时即可通过控制光的强度,来改变机器人的振动模式和运动方式。

  比如在弱光照射下,蒸汽泡的产生很慢,这时就能观察到间断的、周期性振动;当增加光功率时,蒸汽泡的产生速率也会增加,振动频率也会更快,这样软体机器人就可以响应外界的光强变化,并能主动改变自身振动和浮游运动模式,这突破了很多软体机器人的局限性,为设计可自主适应外界变化的软体机器人提供了新思路。

  ▍仿生自适应游泳运动员

  基于光驱动软体蒸汽机,研究人员设计了水面浮游机器人,为了让机器人能在水中更有“劲”,他们设计了一个具有120°曲率的半球形致动器,该结构可让机器人的两端深入水面以下汲水,还可把水通过水凝胶层传递到机器人身体中作为 “燃料”,减少热量损失和耗散。

  使用激光作为可控的光源,在弱光照射下,机器人的游泳速度呈周期性变化,先加速,然后再减速。

  在强光照射下,机器人可快速并匀速游动,最好游泳成绩为 1.3 毫米每秒,相当于大约每分钟 4 个机器人身长,并可在长时间内保持稳定,如果后续进一步增加功率,有望可以实现更快的浮游。

  不仅如此,机器人还可以改变游泳方向,使用激光照射头部左侧,机器人可以进行顺时针平稳旋转,通过控制照射位置,还可以实现前进、转弯和后退,并有望在弯曲、狭窄的管道内探索。

  ▍未来,机器人的“第四层”可处理污水

  这项研究的通讯作者,殷亚东,是世界顶尖的材料科学家,目前是美国加州大学河滨分校终身教授。

  殷亚东团队的李志伟博士是该文章的第一作者,他表示:“我们的动机是让软机器人具有可持续性,并能够自行适应环境的变化。如果使用阳光作为动力,这台机器是可持续的,不需要额外的能源,也可以重复使用。”

  光驱动的软薄膜也有不少,但还没有诞生过像软体蒸汽机这样能够实现的可调节的周期性振动,这是控制机器人发挥作用的关键。

  机器人的当前版本只有三层,研究团队未来会增加第四层,可以吸收油或其他化学物质,去清理水面的原油泄漏,或携带化学催化剂,当它在水面自由浮游时,就能净化污染水体,如果以太阳光作为能量源,它可实现持续工作,并且无需额外操控。

  他们还想尝试更精确地控制其振荡模式,并赋予其进行更复杂运动的能力。

  【参考链接】

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作者 adminp4mrw