磁場(chǎng)無線控制無需充電機(jī)充電蓄電池即可
2017-7-22 10:38:30??????點(diǎn)擊：
最近，來自美國哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所 和約翰?保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的科研人員團(tuán) 隊(duì)創(chuàng)造出一種無需充電機(jī)充電蓄電池的折紙機(jī)器人，它能夠通過 磁場(chǎng)無線地提供能量和進(jìn)行控制，開展可重復(fù)的復(fù) 雜運(yùn)動(dòng)。
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機(jī)器人、折紙、供電、醫(yī)療
背景
藝術(shù)和充電機(jī)充電技術(shù)往往會(huì)相互影響。例如，人工智能、多媒 體、全息等創(chuàng)新充電機(jī)充電技術(shù)都深深影響了藝術(shù)創(chuàng)作，同時(shí)技 術(shù)的發(fā)展也時(shí)常受到傳統(tǒng)藝術(shù)的啟發(fā)。今天，我們從日本傳統(tǒng)折紙藝術(shù)說起，折紙藝術(shù)是通過特殊的折疊 方式，在一張普通紙張的基礎(chǔ)上進(jìn)行手工創(chuàng)作，塑造 出各式各樣的復(fù)雜三維形狀。下面通過幾張圖片向大 家展示一下折紙藝術(shù)的美妙：
近些年來，折紙機(jī)器人成為了機(jī)器人設(shè)計(jì)的又一新前沿。例如，筆者曾在《微型折紙機(jī)器人：可以被人體消化》一文中介紹過一種可以被人體消化的微型折紙機(jī)器人。
另外，在《Kamigami - 你自己的手工折紙?bào)霗C(jī)器人》一文中，筆者也介紹過一款類似昆蟲的折紙機(jī)器人玩具。
然而為了獲取能量，這些折紙機(jī)器人普遍需要攜帶電 池，或者通過電線連接至電源。有鑒于此，相比于它 們的靈感來源：紙張，這些機(jī)器人就會(huì)顯得笨重，且 功能也受到了限制。
創(chuàng)新
最近，來自美國哈佛大學(xué)維斯生物啟發(fā)工程研究所 (Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering)和約翰?保爾森工程和應(yīng)用科學(xué)學(xué)院 (SEAS)的科研人員團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造出一種無需充電機(jī)充電蓄電池的折 紙機(jī)器人，它能夠通過磁場(chǎng)無線地提供能量和進(jìn)行控 制，開展可重復(fù)的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)。
文章的合著者、維斯研究所和SEAS的博士后研究員、韓國亞洲大學(xué)的助理教授 Mustafa Boyvat 稱：
“與折紙類似，我們?cè)O(shè)計(jì)重點(diǎn)之一就是簡(jiǎn)單性。該系統(tǒng)僅需要機(jī)器人上的基本的、無源電子元件來提供充電機(jī)充電流。機(jī)器人本身的結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)其他功能?！?/span>
充電機(jī)充電技術(shù)
研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的機(jī)器人是又平又?。ㄏ褚粡埣垼┑乃芰纤拿骟w，外部有的三個(gè)三角形通過鉸鏈連接到中間的三角形，中間的三角形上有一個(gè)小型充電機(jī)充電路。
附著在鉸鏈上的是由一種稱為“形狀記憶合金”（SMA）的金屬組成的線圈。這種金屬在加熱到一定溫度，能夠在形變后恢復(fù)原狀。當(dāng)機(jī)器人的鉸鏈平放時(shí)，SMA線圈在“變形”狀態(tài)下伸展開來；當(dāng)充電機(jī)充電流通過充電機(jī)充電路時(shí)，線圈被加熱，它們回到原始的松弛狀態(tài)，像微小的肌肉一樣收縮，將機(jī)器人外部的三角形向中間折疊起來。當(dāng)充電機(jī)充電流消失后，由于彎曲的鉸鏈具有剛度，SMA線圈又重新伸展開來，這樣機(jī)器人外部的三角形向中間折疊程度會(huì)降低。
機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所需要的電能，通過無線的電磁電力傳輸無線提供。這項(xiàng)充電機(jī)充電技術(shù)與手機(jī)和其他小型電子設(shè)備充電機(jī)充電蓄電池充電所用的無線充電機(jī)充電座內(nèi)部的充電機(jī)充電技術(shù)相同。自己具有電源的外部線圈產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，從而在機(jī)器人的充電機(jī)充電路內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)充電機(jī)充電流，加熱SMA線圈并且產(chǎn)生折疊。為了控制具體哪個(gè)線圈收縮，團(tuán)隊(duì)在每個(gè)線圈單元內(nèi)放置了一個(gè)諧振器，并且經(jīng)過調(diào)諧后，讓它只對(duì)特定的電磁頻率作出反應(yīng)。
論文的首作者、維斯研究所和SEAS的博士后研究 員Mustafa Boy vat博士解釋道：
“我們的機(jī)器人不僅可以重復(fù)地執(zhí)行折疊動(dòng)作，而 且我們還可以控制這些動(dòng)作何時(shí)何地發(fā)生，從而使 得更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)變得可能?！?/span>
和人體的肌肉一樣，SMA線圈只能收縮和舒張。而 機(jī)器人身體的結(jié)構(gòu)（折紙一樣的“關(guān)節(jié)”），將這些收 縮轉(zhuǎn)化為特定的運(yùn)動(dòng)。為了展示這項(xiàng)功能，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì) 了一個(gè)小型機(jī)器臂，能夠向左或者向右彎曲，也可以 在物體附近打開和閉合一個(gè)夾子。
這種機(jī)器臂通過特殊的、折紙一般的形狀構(gòu)造，當(dāng)有外力施加的時(shí)候，它能夠彎曲。另外，兩個(gè)SMA線圈在激活時(shí)，會(huì)釋放力量，而第三個(gè)線圈將夾子打開。通過改變外部線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)頻率，團(tuán)隊(duì)能夠獨(dú)立地控制機(jī)器人的彎曲和抓握動(dòng)作。
價(jià)值
這種極簡(jiǎn)主義的機(jī)器人充電機(jī)充電技術(shù)會(huì)有很多應(yīng)用。例如，醫(yī)生進(jìn)行手術(shù)時(shí)，無需在患者喉嚨下放置一個(gè)讓人感到不適的內(nèi)窺鏡?；颊呖梢酝滔乱粋€(gè)微型機(jī)器人，它可以四處運(yùn)動(dòng)且執(zhí)行簡(jiǎn)單任務(wù)，例如檢查人體組織或者拍照，且這個(gè)機(jī)器人可以通過人體外部的線圈供電。使用更大一點(diǎn)的源線圈（直徑大約為幾碼），就能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)家居中多個(gè)“智能”物體的無線、無需充電機(jī)充電蓄電池的通信。
團(tuán)隊(duì)采用折紙?jiān)O(shè)計(jì)了各種各樣的機(jī)器人，從一個(gè)硬幣大小的變平四面體機(jī)器人到一個(gè)手掌大小的船型機(jī)器人，以展示他們的充電機(jī)充電技術(shù)能夠適應(yīng)各種充電機(jī)充電路設(shè)計(jì)，適用于各種大大小小的設(shè)備。Boyvat 說：
“對(duì)于微型化來說，目前仍有空間。我們不認(rèn)為我們已經(jīng)達(dá)到了最小的極限，并且我們感到很興奮，將在生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面，進(jìn)一步開發(fā)我們的設(shè)計(jì)?！?/span>
論文的作者之一、維斯研究所的核心教員、生物啟發(fā) 的機(jī)器人平臺(tái)的合作領(lǐng)頭人、SEAS工程和應(yīng)用科學(xué) 系的教授Rob Wood稱：
“當(dāng)人們制造微型機(jī)器人時(shí)，有一個(gè)問題經(jīng)常被 問，‘你怎樣可以將充電機(jī)充電蓄電池放到如此小的機(jī)器人 中？ ’這項(xiàng)充電機(jī)充電技術(shù)對(duì)于這個(gè)問題，給出了一個(gè)很好的 答案。它完全改變了思路：你無需在上面放充電機(jī)充電蓄電池， 你可以通過其他的方式供電?！?/span>
維斯的創(chuàng)始董事、哈佛醫(yī)學(xué)院血管生物學(xué)和波士頓兒 童醫(yī)院血管生物學(xué)項(xiàng)目的教授、哈佛工程和應(yīng)用科學(xué) 學(xué)院的教授Donald Ingber說：
“如今的醫(yī)療設(shè)備普通受到供電的充電機(jī)充電蓄電池尺寸的限 制，然而這些遠(yuǎn)程供電的折紙機(jī)器人能夠突破尺寸 的限制，未來有望提供全新的、微創(chuàng)的醫(yī)療和手術(shù) 方案?！?/span>
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