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초고속 소형

Jun 09, 2023Jun 09, 2023

Nature Communications 13권, 기사 번호: 4456(2022) 이 기사 인용

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고속 이동은 동물의 필수적인 생존 전략으로, 가혹하고 예측할 수 없는 환경에 서식할 수 있습니다. 생체에서 영감을 받은 소프트 로봇은 다재다능하고 초고속 모션의 이점을 동등하게 활용하지만 적절한 구동 메커니즘과 장치 설계가 필요합니다. 여기에서는 정자기장에서 수 볼트의 구동 전압으로 교류 전류를 전달하는 내장된 인쇄 액체 금속 채널에 작용하는 로렌츠 힘에 의해 구동되는 구부러진 탄성 이중층으로 만들어진 소규모 연질 전자기 로봇 클래스를 제시합니다. 이들의 동적 공진 성능을 실험적으로, 이론적으로 조사합니다. 이 견고하고 다재다능한 로봇은 걷고, 달리고, 수영하고, 점프하고, 조종하고, 화물을 운반할 수 있습니다. 테더 버전은 3D 주름 기판에서 70BL/s(초당 신체 길이), 임의 평면 기판에서 35BL/s의 초고속 실행 속도에 도달하며 최대 수영 속도는 물에서 4.8BL/s입니다. 더욱이 프로토타입의 연결되지 않은 버전은 각각 2.1 BL/s 및 1.8 BL/s의 최대 속도로 달리고 수영합니다.

치타, 토끼, 바퀴벌레와 같은 자연 유기체는 먹이를 사냥하거나 포식자로부터 도망치기 위한 주요 생존 전략 중 하나로 고속 이동을 사용합니다. 초당 신체 길이(BL) 측면에서 상대 속도는 다양한 신체 크기에 걸쳐 다양한 유기체의 속도를 정량화하며 진드기 Paratarsotomus Macropalpis1의 경우 323 BL/s까지 높을 수 있습니다. 이 기술은 주로 대형 기계(BL > 100mm)와 고출력 엔진(예: 연소 모터 또는 전기 모터)을 통해 고속 이동을 달성하여 Formula One 자동차(50 BL/s) 또는 4족 로봇2이 9.1BL/초. 그러나 고속 소형 로봇(1mm < BL ≤ 100mm)의 설계는 기존 고성능 모터 및 전송 시스템의 소형화에 어려움이 있기 때문에 어렵습니다. 스마트 소재로 만들어진 간단한 구조는 소형 로봇을 구축할 수 있는 대안을 제공합니다. PZT(납 지르콘 티타네이트)3 및 SMA(형상기억합금)4는 밀리미터 크기 로봇에 구현되는 두 가지 대표적인 강성 스마트 소재이지만 작동 스트로크가 너무 작거나 주파수가 낮아 고속 이동이 가능하지 않습니다. 또한 신흥 로봇 공학과 인간-로봇 상호 작용에는 가혹하고 역동적인 환경에서 작동할 수 있는 부드럽고 안전하며 빠르고 견고한 설계가 필요합니다. 극단적인 예는 소화 중에 기계적 압축을 받고 산성 유체를 포함하는 인간의 위입니다. 위장관 관련 질병을 예방하거나 치료하면 약물 전달 또는 비침습적 수술을 위한 소프트 미니 로봇의 개발이 촉진됩니다5.

이러한 문제를 해결하기 위해 열 반응성 폴리머 섬유6, pH 반응성 폴리머 젤7, 광 반응성 액정 폴리머8 및 전기/자기장 반응성 재료9,10,11,12,13와 같은 로봇 공학용 소프트 스마트 소재가 등장했습니다. 그러나 열 반응성 고분자 섬유와 pH 반응성 고분자 겔은 이온이나 열의 느린 확산에 의존하므로 로봇의 고속 이동에는 충분히 빠르지 않습니다. 빛에 반응하는 액정 폴리머8는 10Hz를 초과하는 주파수에서 작동할 수 있지만 변조된 조명과 투명한 환경에 대한 필요성으로 인해 적용 가능성이 제한됩니다. 유전체 엘라스토머(DE) 및 연자성 엘라스토머(SME)와 같은 전기/자기장 반응형 엘라스토머는 일반적으로 kHz 범위9,10,11,12의 진동으로 빠른 응답 시간을 특징으로 합니다. DE의 단점은 높은 작동 전압(kV 범위)으로 인해 잠재적인 안전 문제가 발생하고 소형화를 방해한다는 점입니다. SME 로봇은 안전하고 반응이 빠르며 소형화가 쉽지만 전역적이고 동적으로 조정 가능한 자기장14,15,16이 필요하기 때문에 다중 모듈 또는 떼 로봇 설계에 어려움이 있습니다. 엘라스토머 기판에 내장된 액체 금속(LM) 코일로 구성된 연질 전자기 액추에이터(SEMA)는 자기 공명 영상(MRI) 기계와 같이 강력한 정자기장에서 더 나은 로컬 제어성을 가지며 높은 성능을 제공합니다9. LM 3D 프린팅의 발전으로 SEMA를 최소 1밀리미터 규모로 소형화할 수 있어 마이크로미터에서 센티미터 크기의 소프트 로봇17의 고속 이동 경로가 열렸습니다.

1000 s). The actuators remain fully functional and this Joule heating can be further decreased with a better coil design, such as increasing the number of coil turns, as discussed in the Supplementary Text./p> \,0\) during the expansion (Fig. 3f, upper panel), the front (right) foot has small friction \({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, 0\) and slips forward (to the right), while the rear (left) foot has large friction \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\,\approx\, fG\) and is almost fixed. For negative currents \(I \, < \, 0\) during the contraction (Fig. 3f, lower panel) the situation is reversed: the front foot has large friction \({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, fG\) and is almost fixed, while the rear one where \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\,\approx\, 0\) pulls up. A detailed explanation of this behavior is given in the Supplementary Text, section 1.17, "Locomotion principle of the SEMR with the L-shaped feet". One can see these stages in the frames of Fig. 3g (taken from the Supplementary Movie 3) for the square-wave excitation at 1 Hz by a low current of 0.2 A. The resonant frequency of the SEMR TL has been measured (Supplementary Fig. 24c) to be lower than that of SEMR TST, because of the additional weight of the L-shaped feet. Six different geometries of L-shaped feet (Supplementary Fig. 24a, Supplementary Table 3) were tested and the fastest foot type E (Supplementary Fig. 24d) was selected for the subsequent experiments./p>

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