機器人控制領域新進展：用磁場控制的軟體機器人

機器之心編譯

參與：晏奇

研究者在控制所謂軟體機器人方面取得重大進展，他們可以使用磁場遠程操控軟體機械設備中的微粒鏈。到目前為止，研究者已經開發出了多種使用該新技術的設備。

近日，美國北卡羅來納州立大學（NC State University）的研究者開發了幾類軟體機器人設備，這些軟體機器人的成功源自於其控制領域的重大進展。其中一項新技術使用磁場來遠程操控軟聚合物中的微粒鏈（microparticle chains）。圖片來源：Joe Tracy

在控制所謂軟體機器人領域，一個工程研究團隊取得了重大進展。他們使用磁場來遠程操控軟體機械設備中的微粒鏈（microparticle chains）。目前為止，研究者已經開發出多款使用該項新技術的設備。

「通過將這些自組裝鏈（self-assembling chains）嵌入軟體機器人，我們可以讓其在保有相對簡單設計的同時還可以進行複雜的活動任務。」Joe Tracy 說道，他是北卡羅來納州立大學材料科學與工程學院副教授，也是一篇針對這項研究的論文的通訊作者（corresponding author，譯者註：可理解為課題負責人）。「從遠程觸發藥物輸送泵到遠程可展開結構（deployable structures）的發展都是這些設備的可能應用場景。」

這項新技術基於早先 Tracy 和 Orlin Velev 在自組裝、磁驅動複合材料領域的研究而開發。二人是北卡羅來納州立大學化學與生物分子工程學的 INVISTA 教授（INVISTA 譯者註：全球最大的綜合纖維和聚合物公司之一）。

在這項研究中，研究人員將鐵微粒引入了一個液態聚合混合物中（a liquid polymer mixture），然後他們使用一個磁場來誘導微粒形成並行的鏈條。當混合物乾燥以後，會留下一個嵌有並排磁微粒（aligned chains of magnetic particles）的彈性聚合薄膜。

「通過控制磁場來控制磁性微粒鏈，我們可以遠程操控聚合物來將其變為軟體機器人，」Tracy 說道。

特別的是，磁場的方向和強度是可變的。當施加一個特定方向的磁場時，鐵微粒鏈會因受到磁場作用而而調整自己的形狀，從而其周邊聚合物也會以同樣的方向發生形變。

通過使用這項技術，研究者開發了三款軟體機器人。其中一個是條懸臂，它可以提起最大超過自身 50 倍重量的物體。另一個是個手風琴狀，模仿肌肉的可伸縮設備。第三個是管狀設備，其設計目的是可以當做可蠕動泵：一個沿管子長度移動的扁長區域，這很像一個人沿著牙膏管道擠出其最後一點牙膏。

「為了提升軟體機器人的潛力，我們正在研究如何可以同時提升這些設備的能力和對其的控制，」Tracy 說道。

同時，研究者們也開發了一個評估磁動力機器（如前面提到的懸臂）的度量標準。

「通過測量被舉起的重量，以及考慮設備中微粒的質量和被施加磁場的強度，我們可以完成這個評估，」Ben Evans 說道，他是論文的聯合作者，也是伊隆大學（Elon University）物理學副教授。「我們認為對於該領域那些想要經驗地找到比較性能差異方法地研究者來說，我們的標準是很有用的。」

Chained Iron Microparticles for Directionally Controlled Actuation of Soft Robots（對軟體機器人定向驅動中鏈狀鐵微粒的研究）

論文鏈接：http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.7b01209

摘要：鏈式磁性粒子（magnetic particles in chains）的磁場定向自組裝（Magnetic field-directed self-assembly）對於開發軟體機器人中的定向響應材料很有幫助。在過去，使用更加複雜的的材料才可以換來高級的功能，然而現在使用簡單的設備構架也可以達到這個目的。本研究的設計包含了鏈狀磁性微粒的彈性薄膜通過被溶劑澆築（solvent casting），形成了由磁性驅動的升降機（lifter）、可伸縮機、閥門以及泵狀機。鏈狀磁性微粒結構不僅可以增強設備驅動性，也賦予了其隨磁場響應而改變方向的能力。懸臂可被當做升降機使用，其最大載荷為聚合膜質量的 50 倍。我們引入「比扭矩（specific torque）」——扭矩/單位磁場強度/單位磁性微粒質量——作為評價和衡量升降機（lifter）和相關設備性能的優良指數。這項研究中的設備生成的比扭矩為 68 Nm/kgT，這略高於早期報道的設備。基於風琴狀設備的方向，對摺疊的風琴狀設備應用的磁場造成了其結構的伸縮。在嵌入了磁性鏈的複合管的可蠕動泵中，磁場會造成管中被施加磁場域的夾閉。這些成果可促進未來基於鏈狀磁性微粒的軟體機器人發展，同時也將惠及對高比扭矩（higher specific torque）工程材料的研究。