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中科院理化所劉靜/北林王磊團隊 Nat. Commun.: 3D曲面高密度液態(tài)金屬線圈 - 軟體機器人領(lǐng)域的新篇章

2024-09-09 來源：高分子科技

近日，中國科學院理化技術(shù)研究所與北京林業(yè)大學聯(lián)合團隊在《Nature Communications》上發(fā)表了一篇研究論文《Transformable 3D Curved High-Density Liquid Metal Coils – An Integrated Unit for General Soft Actuation, Sensing and Communication》，展示了一種創(chuàng)新的3D彎曲高密度液態(tài)金屬線圈（HD-LMC）技術(shù)，不僅突破了傳統(tǒng)剛性線圈的限制，還為軟體機器人領(lǐng)域柔性執(zhí)行、感知與通訊功能一體化集成提供了全新的可能性。文章第一作者為理化所博士生李楠，通訊作者為理化所劉靜研究員和北林王磊副教授。

柔性線圈近年來在軟體機器人領(lǐng)域引人矚目，然而由于其稀疏的結(jié)構(gòu)和制造技術(shù)上的挑戰(zhàn)，限制了進一步的應(yīng)用。此項研究中，團隊成功開發(fā)了一種3D彎曲高密度液態(tài)金屬線圈（HD-LMC），其結(jié)構(gòu)密度超過了傳統(tǒng)的漆包線。這種線圈由液態(tài)金屬（EGaIn）和彈性PDMS基底構(gòu)成，具有優(yōu)異的柔韌性和機械性能。此外，制作HD-LMC的方法不僅適用于PDMS，還可擴展到環(huán)氧樹脂、人用硅膠和Ecoflex等多種基材，具有普遍廣泛的適用性。

HD-LMC不僅在壓力、溫度、非接觸距離傳感器和近場通信中表現(xiàn)出色，還顯著提升了軟體電磁驅(qū)動器的電磁力和功率密度。這使得軟體機器人在感知、驅(qū)動和通訊方面實現(xiàn)了功能的高度集成，極大地簡化了機器人的設(shè)計和制造過程。

研究團隊展示了HD-LMC在多個領(lǐng)域的應(yīng)用，包括一個能夠精確控制尾部擺動的仿生河豚機器人，以及一個具有集成感知和驅(qū)動功能的軟體旋轉(zhuǎn)機器人。這些機器人不僅能夠在水中靈活游動，還能在陸地上高速行駛，展示了HD-LMC在軟體機器人中的巨大潛力。

軟體機器人因其出色的安全性和環(huán)境適應(yīng)能力，近年來在各種應(yīng)用場景中展現(xiàn)出巨大的潛力。然而，高精度、大工作范圍、多物理感知能力、高響應(yīng)速度、大功率密度和強驅(qū)動力的集成單元一直是個難題。傳統(tǒng)的柔性傳感器和驅(qū)動器往往需要多個單元協(xié)同工作，導致機器人結(jié)構(gòu)龐大、復雜。而HD-LMC的出現(xiàn)，為解決這一問題提供了全新的思路。

這項研究不僅為液態(tài)金屬基多維復雜柔性電子的應(yīng)用提供了理論和技術(shù)基礎(chǔ)，還預示著液態(tài)金屬集成機器人系統(tǒng)將迎來廣泛應(yīng)用。HD-LMC的高密度、多功能和柔性設(shè)計，使其在環(huán)境感知、通信和驅(qū)動等方面具有獨特的優(yōu)勢，未來有望在醫(yī)療、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。