具有可重新编程磁化和刚度的液态金属磁性软体机器人

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标题：Liquid-Metal Magnetic Soft Robot with Reprogrammable Magnetization and Stiffness

机构：

1: Quanzhou Institute of Equipment Manufacturing, Haixi Institutes, Chinese Academy of Sciences.

2: Zhongyuan-Petersburg Aviation College, Zhongyuan University of Technology.

编译：姚瀚晨

摘要

大家好，今天为大家带来的文章是Liquid-Metal Magnetic Soft Robot with Reprogrammable Magnetization and Stiffness，具有可重新编程磁化和刚度的液态金属磁性软体机器人。

磁性软体机器人在生物医学应用方面具有广阔的前景，例如细胞操作、药物输送和无创干预。然而，单一的功能和不可改变的刚度限制了它们的实用性。因此，该工作提出了一种基于Gallium/NdFeB/PDMS复合材料的功能可重构软机器人。提出了一种无需加热的可重编程磁化技术，通过重新构图磁畴来调节机器人的响应动作。此外，采用液态金属热致相变方面的刚度编程技术来调节机器人的刚度。构建并测试了四个机器人原型。实验结果表明，该机器人具有可变响应和可变刚度，可满足不同的操纵任务。因此，软体机器人被赋予了可变功能和可重复使用的特性。该技术有望应用于智能软机器的批量制造。

引用文献：

[1] R. Zhao, H. Dai and H. Yao, “Liquid-Metal Magnetic Soft Robot With Reprogrammable Magnetization and Stiffness,” in IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 7, no. 2, pp. 4535-4541, April 2022, doi: 10.1109/LRA.2022.3151164.

https://www.researchgate.net/publication/358597222_Liquid-Metal_Magnetic_Soft_Robot_With_Reprogrammable_Magnetization_and_Stiffness

主要工作与贡献

开发了一种用于机器人的无加热可重编程3D 磁化技术，以执行不同任务中可变形态和功能。

提出了一种热辅助可重编程刚度技术，使机器人能够在软硬形式之间切换，提高其交互能力和负载能力。

方法

磁性软机器人的工作原理基于液态金属/铁磁复合材料 (liquid-metal/ferromagnetic materials，LM-FM) 的两个独特特性：可重构磁极性和低温相变。图 1 描述了实现可编程磁化强度和刚度的方法。

图1：工作原理。(a) LM-MF 的可重构磁极。(b) 在弹性体中磁编程各向异性。(c) 产生不同的磁响应动作。(d) Ga的相变特性。(e) 热辅助刚度切换。(f) 机器人的固定形状。

图2（a）显示了所提出的磁性软机器人的四步制造过程，包括磁响应复合材料和机器人的制备。

图 2：(a) 制造程序：i.混合钕铁硼颗粒和液态镓， ii.磁化 Ga/NdFeB 复合材料，iii.通过 3D 打印模具制备聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 皮肤，以及 iv.包装磁性软机器人。(b) 四个机器人原型：i.尺蠖，ii.抓取装置，iii.立方体，和 iv.支架。

实验结果

在实验中，对LM-MFs复合材料和磁性弹性体的性能进行了测试，以分析复合材料的稳定性、磁化强度和刚度。通过磁编程改变机器人的响应来执行几个运动任务。最后两个案例展示了基于热编程的切换刚度在执行机器人任务中的关键作用。

1. 基本属性

实施扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）和能量色散光谱（EDS）测试以获得LM-MFs复合材料的微观结构和组成（图3）。SEM 照片（图 3a）显示 NdFeB 微粒完全浸入镓基体中。如图 3(b) 所示，XRD 数据表明 NdFeB 和 Ga 基体之间没有合金化。通常，由于高表面张力（0.6 N/m），Ga 难以与磁性颗粒混合。据 道，LM 的薄氧化层 (Ga2O3) 有助于包裹微粒并增强其润湿性。在制备过程中，我们在空气环境中搅拌混合物，使其液态金属轻微氧化，促进Ga相和NdFeB相结合。图3(c)给出了LM-MFs复合材料的EDS图，氧元素的存在表明该化合物含有少量的Ga2O3。LM-FMs 橡皮泥的高流变性可以防止相分离。从微观上看，这是由于定向磁性颗粒之间的磁吸引力和由它们的链结构引起的毛细管力。这些力量稳定复合材料。PDMS外壳可以防止Ga进一步氧化并保持其活性。

图3：工作原理。(a) LM-MF 的可重构磁极。(b) 在弹性体中磁编程各向异性。(c) 产生不同的磁响应动作。(d) Ga的相变特性。(e) 热辅助刚度切换。(f) 机器人的固定形状。

在图 4(a)中，测试了 Ga/NdFeB/PDMS 复合膜以估计其可编程磁化特性。如图 4a 所示，薄膜的两个区域沿厚度方向分别编程为 N 极和 S 极。通过磁成像卡观察磁化分布。与图 4(a)中的观察结果一致，4(b)显示了模拟的表面剩磁分布，其中测量平面距离表面 1 mm。在图 4(c) 中，实施了 50 个相变循环来评估薄膜剩磁的稳定性，减少了 15%。减少率随着循环次数的增加而降低。加热过程对剩磁影响不大。

图 4：复合薄膜的磁化特性。(a) 磁化剖面图。(b) 表面剩磁模拟。(c) 剩余磁化强度与相变时间的关系。

图 5 展示了薄膜的相变和刚度特性。图 5(a)显示了加热和冷却过程的相变周期（环境温度为 22.3 °C）。将薄膜加热至 50、40 和 35 °C，然后分别冷却至 0 和 22.3 °C。根据(4)，制冷温差应大于5.4℃以保证凝固。结果表明，相变期随着温差的减小而增加。图5(b)显示相变期与冷却/加热速率呈负相关。过程是不对称的，凝固过程具有较强的非线性。图 5(c) 给出了单位面积刚度的计算值和实验值（表示为弹性模量）。通过转换为刚体形式，模量增加了 10000 倍。拉压应力结果表明，机器人可承受30 MPa的压力和1.7 MPa的拉力。

图 5：相变和刚度特性。(a) 温度变化与相变期。(b) 温度变化率与相变期的关系。(c) 模数。(d) 断裂性能。

2. 可编程磁化

磁性尺蠖式运动由两种不同的磁化曲线实现，以产生不同的响应动作。在图 6(a)、(b)和(c)中，具有磁化曲线 1，机器人通过模拟施加锯齿形磁场的自然尺蠖向前或向后爬行（图 6d）。图 6(e)显示了机器人在 2 赫兹和 5 赫兹磁场驱动时的轨迹（通过软件获得的可视化轨迹）。相应的运动速度分别为 6.4 和 2.3 mm/s。图 6(f)和(g)显示了磁蜗杆的磁化分布 2。当由磁场驱动时（图 6i和k），机器人执行卷曲和滚动动作（图 6h和j）。

图 6：磁蜗杆的形状变形和运动。(a) 磁化分布 1 及其。(b) 磁响应。(c) 尺蠖运动，(d) 驱动磁场。(e) 运动性能。(f) 磁化分布2，及其 (g) 磁响应。(h) 卷曲动作。(i) 驱动磁场。(j) 滚动动作和 (k) 驱动磁场。

对于磁性抓取器，提出了两种不同的磁化曲线。在编程磁化曲线 1（图 7a）时，机器人可以站立并抬起其手臂（图 7b和c）。图 7(d) 和 (e) 展示了驱动方法和磁场的激发。在图 7(f)、(g)和(h)中，当实施磁化曲线 2时，机器人显示出花朵形状并灵活地抓住目标。抓取器由正弦波磁场驱动（图 7i和j）。

图 7：磁性抓取器的形状变形：(a)磁化剖面 1 及其(b)磁响应，(c)站立动作，以及(d)驱动方法，(e)驱动磁场，(f)磁化轮廓2，及其(g)磁响应，(h)抓取动作和(i)驱动方法，(j)驱动磁场。

3. 可编程刚度

本节介绍两个应用案例来说明切换刚度在机器人任务执行中的作用。实验结果还揭示了如何通过硬化效应提高软体机器人的性能。

图8(a)和(b)显示了立方体胶囊机器人的磁化分布和形状变形。该机器人旨在装载货物并将其运输通过狭窄的空间。图 8(c) 展示了任务实现的过程。首先，将货物放置在机器人上。其次，施加垂直磁场将机器人变成可以包裹货物的立方体。当环境温度降低时，机器人在外磁场的牵引下以固定的立方体形状变硬并通过通道。最后，机器人通过激光辅助加热快速软化并释放货物。

图 8：磁性立方体的形状变形和任务实现。(a) 磁化曲线。(b) 变形。(c) 货物交付过程。

图 9 显示了磁性支架的性能。图 9(a) 和 (b) 说明了磁化分布和响应动作。当施加垂直磁场时支架会膨胀并通过硬化效应固定其形状（图9c）。压缩性能在图 9(d)中进行了比较。因此，刚体形式的机器人的抗压和承载能力显着提高。

图 9：形状固定磁性支架。(a)磁化曲线。(b) 变形。(c) 形状固定过程。(d) 抗压性能。