微型無人駕駛機(jī)器人

大多數(shù)合成材料，包括電池電極、聚合物膜和催化劑中的合成材料，隨著時(shí)間的推移而降解，因?yàn)樗鼈儧]有內(nèi)部修復(fù)機(jī)制。如果你可以在這些材料中分配自主的微型機(jī)器人，那么你可以使用微型機(jī)器人從內(nèi)部不斷進(jìn)行修理。

化學(xué)工程副教授凱爾·畢曉普實(shí)驗(yàn)室的一項(xiàng)新研究提出了一種微型機(jī)器人的策略，它可以感知物質(zhì)缺陷的癥狀，并自主地導(dǎo)航到缺陷現(xiàn)場，在那里可以執(zhí)行糾正措施。這項(xiàng)研究發(fā)表在2019年12月2日的“物理評論研究”上。

游泳細(xì)菌通過整合化學(xué)傳感器和分子馬達(dá)來尋找高營養(yǎng)濃度的區(qū)域，就像一輛自動(dòng)駕駛汽車，它使用來自相機(jī)和其他傳感器的信息來選擇適當(dāng)?shù)膭?dòng)作來到達(dá)目的地。研究人員試圖通過使用化學(xué)燃料或其他能量輸入推動(dòng)的小顆粒來模擬這些行為。雖然環(huán)境中的空間變化（例如燃料濃度）可以起到物理定向作用，從而指導(dǎo)粒子的運(yùn)動(dòng)，但這種導(dǎo)航有其局限性。

畢曉普說：“現(xiàn)有的自動(dòng)推進(jìn)粒子更像是由纏繞的鐵軌機(jī)械操縱的失控列車，而不是由感官信息自主引導(dǎo)的自動(dòng)駕駛汽車?！拔覀兿胫?，我們是否能夠設(shè)計(jì)出帶有物質(zhì)傳感器和執(zhí)行器的微型機(jī)器人，它們更像細(xì)菌一樣導(dǎo)航?！?/p>

畢曉普的團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)一種基于變形材料的微型機(jī)器人自主導(dǎo)航編碼的新方法。環(huán)境的局部特征，如溫度或pH，決定了粒子的三維形狀，進(jìn)而影響其自行運(yùn)動(dòng)。通過控制粒子的形狀及其對環(huán)境變化的反應(yīng)，研究人員模擬了如何設(shè)計(jì)微型機(jī)器人來向上或向下游動(dòng)刺激梯度，甚至那些太弱而不能被粒子直接感覺到的機(jī)器人。

“我們首次展示了響應(yīng)性材料如何作為微型機(jī)器人的車載計(jì)算機(jī)，它比人類毛發(fā)的厚度要小，可以編程自主導(dǎo)航。”這項(xiàng)研究的合著者、博士永斗說。畢曉普實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生?！斑@種微型機(jī)器人可以執(zhí)行更復(fù)雜的任務(wù)，例如分布式感知材料缺陷、自主運(yùn)送治療性貨物以及按需修理材料、細(xì)胞或組織?！?/p>

畢曉普的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在建立實(shí)驗(yàn)，用液晶彈性體和形狀記憶合金等變形材料，在實(shí)踐中演示他們對微型機(jī)器人的理論導(dǎo)航策略。他們期望實(shí)驗(yàn)將證明，刺激反應(yīng)，形狀變化的微?？梢岳脗鞲泻瓦\(yùn)動(dòng)之間的工程反饋來自主導(dǎo)航。