全地形微型飛機在復雜的地形上翻滾

通過翻滾移動的新型全地形微型飛機可以幫助開發用于各種應用的小型機器。

“微型磁性翻滾機器人”或μTUM(microTUM)大約為400×800微米，或百萬分之一米，小于銷的頭部。連續旋轉的磁場推動微型煙斗進行端對端或側向翻滾運動，這有助于微型氣流穿過不平坦的表面，例如凸起和溝槽，這是其他形式運動的難點。

“μTUM能夠在干燥和潮濕的環境中穿越復雜的地形，”普渡大學機械工程學院副教授兼普渡大學多尺度機器人與自動化實驗室主任David Cappelleri說。

2月3日在線發表在Micromachines期刊上的一篇研究論文中詳細介紹了研究結果。該論文由Purdue研究生Chenghao Bi撰寫; 博士后研究員Maria Guix; 博士生Benjamin V. Johnson; Wuming Jing，勞倫斯理工大學機械工程助理教授; 和Cappelleri。

扁平的，大致啞鈴形的微型泡沫由聚合物制成并具有兩個磁性端部。非磁性中段可用于攜帶諸如藥物之類的貨物。由于機器人在潮濕環境中運行良好，因此具有潛在的生物醫學應用。

“微觀和納米級的機器人技術代表了智能自動化系統的新領域之一，”Cappelleri說道。“特別是，移動微機器人最近成為生物醫學應用的可行候選者，利用其小尺寸，操縱和自主運動能力。有針對性的藥物輸送是這些納米和微型機器人的關鍵應用之一。”

藥物輸送微型小鼠可以與超聲波結合使用，以引導它們到達它們在體內的目的地。

研究人員研究了機器在橫向傾斜60度時的性能，證明了在潮濕和干燥環境中都具有令人印象深刻的攀爬能力。

“攀爬的能力非常重要，因為人體表面很復雜，”Guix說。“它很崎嶇，很粘。”

適用于許多應用的理想技術是不受限制的微機器人，可適應各種環境并且操作簡單。Cappelleri說，通過磁場激活的微型計算機已經顯示出了希望。

雖然到目前為止所探索的概念需要復雜的設計和微加工方法，但μTUM是采用半導體工業中使用的標準光刻技術生產的。新論文的重點是微機器人的設計，制造和旋轉磁場的使用，以便在一個協商復雜地形的戰略中運行它們。

開發這種微型電池的一個關鍵因素是分子之間的靜電和范德華力的影響，這些分子在微米尺度上普遍存在，但在日常生活的宏觀尺度上并不普遍。這些力量會在影響其運行的微小部件之間造成“靜摩擦”。研究人員模擬了這種力量的影響。

“在干燥條件下，這些力使得將微型氣囊移動到體內預定位置非常具有挑戰性，”Guix說。“它們在流體介質中表現更好。”

因為微小的機器人包含如此少量的磁性材料和表面積，所以需要相對強的磁場來移動它們。同時，生物流體或表面抵抗運動。

“這是有問題的，因為微型機器人在真實工作環境中成功運行，移動性至關重要，”Cappelleri說。

克服該問題的一種方法是使用翻滾運動，其需要比其他需要更低的磁場強度。機器人性能的另一個關鍵是連續旋轉的磁場。

“與microTUM不同，其他微型機器人在交變磁場下使用搖擺運動，機器人與表面之間的接觸不斷丟失并重新獲得，”Bi說。“雖然用于μTUM的連續旋轉場比交替場更難實現，但權衡的是翻滾機器人總是有一個與地面接觸的點，前提是沒有尖銳的下落或懸崖。這種持續的接觸意味著μTUM設計可以利用其自身與其下方表面之間的恒定粘附力和摩擦力來攀爬陡峭的傾斜地形。

微粒在干紙表面上進行測試，并在水和硅油中進行測試，以測量和表征其在不同粘度的流體環境中的能力。研究結果顯示，高粘度流體(如硅油)限制了機器人的最大速度，而低密度介質(如空氣)則限制了它們可以攀爬的陡峭程度。

microTUM可以通過“高級粘附”功能進行升級，以執行生物醫學應用的藥物輸送。

未來的工作將集中在μTUM的動態建模，以預測其在復雜地形上的運動軌跡，以及解決不同環境界面上存在的獨特挑戰。其他目標包括開發“基于視覺”的控制系統，該系統使用相機或傳感器進行精確導航，并使用此類機器人精細操縱物體以用于潛在的工業應用。還將探討機器人中間部分的替代設計。

“對于所考慮的所有設計配置，機器人的中間部分保持非磁化，以便探索未來將有效載荷嵌入機器人區域的可能性，”Cappelleri說。“用符合要求的材料或可溶解的有效載荷替換這個區域可以分別改善動態行為和體內藥物輸送，在微物體操作和生物醫學應用方面具有深遠的潛力。”