北理工郭晓岗Small:激光诱导石墨烯一岗双职,驱动感知两手抓

北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗副教授团队,使用激光诱导石墨烯(LIG)作为电热驱动材料和压阻功能材料,基于肌肉组织功能仿生设计,开发了具有本体感受功能人工软体驱动器。LIG作为核心功能材料身兼双职,在为驱动器提供驱动力的同时,变形导致的电阻变化可用于反馈构形的实时状态。

软体驱动器具有使机器人摆脱笨重复杂的机械结构,实现驱动部件的轻量化、小型化等优点而受到越来越多的关注。然而,刚性机构由具备成熟编码器系统的电机驱动,可同步感知机器人的工作状态,并为控制器提供操作依据。相比之下,软体驱动器的运行状态监控仍然主要依靠视觉摄像机的观察。显然,由于复杂环境的影响,这种需要客观辅助监测的方法限制了软执行器的应用范围。

自然界中的生物可以通过自身的本体感受器感知自己的运动状态,这使得生物具有不依赖视觉来判断肢体状态的能力,从而保障对四肢的有效控制。例如,在肌肉运动过程中,肌梭和高尔基肌腱组成的本体感受器能够识别肌肉张力和压力的变化,判断关节伸展程度,使动物准确的感知肌肉的动作。生物肢体与人工驱动器的明显区别在于其极高的集成度,这是一般人工装置难以比拟的。然而,驱动与感知传感能力相结合的自然灵感,将为智能仿生软体机器人的发展提供助力。

北京理工大学先进结构技术研究院郭晓岗副教授团队,使用激光诱导石墨烯(LIG)作为电热驱动材料和压阻功能材料,基于肌肉组织功能仿生设计,开发了具有本体感受功能人工软体驱动器。LIG作为核心功能材料身兼双职,在为驱动器提供驱动力的同时,变形导致的电阻变化可用于反馈构形的实时状态。

北理工郭晓岗Small:激光诱导石墨烯一岗双职,驱动感知两手抓

图1. 仿生自感知LIG驱动器设计示意图:肌梭和腱梭作为本体感受器作,感知肌肉的松弛和收缩。LIG功能材料兼具驱动和传感性能,通过其电阻变化反演构形变化。

在课题组前期柔性传感器与驱动器的研究基础上,优化LIG驱动器的结构与制备参数,并通过驱动器单元的组合实现了1D-2D,2D-3D及3D-3D等不同维度结构的重构。利用LIG的压阻特性,通过监测结构变形过程中LIG功能层的电阻变化,结合构形反演算法,实现了结构构形的连续动态反演与监测。

北理工郭晓岗Small:激光诱导石墨烯一岗双职,驱动感知两手抓

图2. 基于自感知LIG单元组成的具有不同维度变形模式的驱动器结构。

通过仿生结构设计与力学优化,开发了包括对百合、捕蝇草、黄海棠和藤蔓的仿生柔性驱动结构,并实现了各类结构构形的重构与反演,验证了本研究方法的有效性。

北理工郭晓岗Small:激光诱导石墨烯一岗双职,驱动感知两手抓

图3. 仿生自百合、捕蝇草、黄海棠和藤蔓的自感知LIG驱动器。

具有本体感受功能的柔性驱动器件,能胜任在能见度低的环境中,通过驱动自感知特性为操作者提供辅助,了解驱动器的实时工作状态,在相当程度上摆脱了对光学相机类设备的依赖。此外基于电信号采集的自感知器件,在某些低电源负载、低数据带宽条件下的应用也具有显著的优势。文中展示了基于自感知LIG驱动器开发的电磁屏蔽斗篷、柔性夹爪等器件,通过对其不同变形状态下的构形重构,可以按需控制斗篷的开合或感知抓取物体的尺寸。

北理工郭晓岗Small:激光诱导石墨烯一岗双职,驱动感知两手抓

图4. LIG自感知驱动器的应用。a)可开合电磁屏蔽斗篷;b)自感知夹爪抓取不同尺寸的物体。

论文信息:

Somatosensory Electro-Thermal Actuator through the Laser-Induced Graphene Technology

Hao Wang, Xuyang Li, Xiaoyue Wang, Yong Qin, Yang Pan, Xiaogang Guo*

Small

DOI: 10.1002/smll.202310612

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