自主科技| 「摺紙」軟體機械人 磁控動作功能百變

多功能磁控軟體機械人
研究團隊自主研發卷對卷組裝技術(圖A-C)賦予磁控軟體機械人能變出不同結構的能力(圖D-I)。

[自主科技]

機械人一般都是結構複雜,以電動伺服器實現各種不同姿勢及動作;香港中文大學工程學院研究團隊研發軟體機械人組裝技術,利用數片膠紙和磁性顆粒,通過簡單的黏貼及裁剪,就可製作出靈活變形、擁有不同功能的小型摺紙式軟體機械人結構,活動起來,有如傳統皮影戲一樣。

「摺紙」軟體機械人體積小行動靈活,配合不同感測元件模組,日後將可執行環境感測和醫療等任務,甚至外科體內治療胃潰瘍等損傷,技術亦進一步為發展智能軟體機械人提供組裝基礎。

多功能磁控軟體機械人
多功能磁控軟體機械人的組件組裝及其應用(圖A)。機械人可在乾燥的平面上活動,並按環境中的紫外光和溫度進行感應(圖B-C);也能夠在水面上活動、檢測水域中的酸鹼度,甚至潛入水中去除油污(圖D1-3)。耗損了的功能組件可隨時替換,提高機械人的使用壽命(圖E)。

轉印磁性圖案有如摺紙

軟體機械人以靈巧、結構多變取勝,能夠抓握物件、輸送靶向藥物等,目前要解決的問題包括如何將不同功能元件和物料,與尺寸細小的軟體機械人結合,實現模組化設計,按需要加入及調整其功能;此外,為了達到軟體機械人在磁控下的變形多樣性,磁性顆粒往往需要排列成複雜形狀,對於只有數厘米大的軟體機械人,組裝難度特別大。

中大機械與自動化工程學系張立教授研究團隊參考「紋身貼紙」將膠片上的圖案轉印到皮膚表面的概念,通過多重黏貼組裝磁性顆粒圖案,完成軟體機械人的編製。團隊先將磁性顆粒鋪上生活常見的標籤貼紙(不乾膠),形成模板後,再利用黏貼力較強的雙面膠膜,逐層轉移模板上的磁性顆粒圖案,最後以鐳射將印上完整圖案的雙面膠膜切割。

磁化作用下,雙面膠膜上的平面圖形可如摺紙般轉換成不同的立體結構,通過調整磁場讓軟體機械人做出折疊、抓取或其他連續性動作。

多功能磁控軟體機械人
軟體機械人尺寸只有手指頭般大小。張立教授(右)及研究第一作者、中大博士生董悅(左)。

具醫療工業潛能 

雙面膠膜具強力黏韌性,有利於將不同性質的物料黏合,無須任何連接工序將不同模組組合起來。研究團隊成功將不同功能的傳感元件無縫合成到小型軟體機械人身上,進行溫度、紫外光、酸鹼值、導電、吸油等感應工作,亦可用於電路修復及治療胃潰瘍。

張立教授表示:「我們在實驗中示範了小型軟體機械人在體內複雜環境進行特別任務,例如在凹凸不平的胃壁內移動到潰瘍位置,模擬在胃部貼上膠布的動作,若日後能配合藥物使用,或可治療胃部受損情況。此外,軟體機械人未來會進一步整合更多的電子元件,例如矽紅外線LED、電晶體或近場通訊等,提升機械人多功能及智能化水平。」

研究團隊成員包括香港城市大學生物醫學工程學系張甲晨教授及卡尼基美隆大學機械工程系Carmel Majidi教授,研究亦獲香港研究資助局(RGC)、香港創新科技署(ITC)、裘槎基金會、中大周毓浩創新醫學技術中心、中大天石機器人研究所、中大—中國科學院深圳先進技術研究院機器人與智慧系統聯合實驗室,加上創新香港研發平台(InnoHK)醫療機器人創新技術中心(MRC)支持;結果刊登於國際學術期刊《Science Advances》 上。

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