全地形微型飞机在复杂的地形上翻滚

通过翻滚移动的新型全地形微型飞机可以帮助开发用于各种应用的小型机器。

“微型磁性翻滚机器人”或μTUM(microTUM)大约为400×800微米，或百万分之一米，小于销的头部。连续旋转的磁场推动微型烟斗进行端对端或侧向翻滚运动，这有助于微型气流穿过不平坦的表面，例如凸起和沟槽，这是其他形式运动的难点。

“μTUM能够在干燥和潮湿的环境中穿越复杂的地形，”普渡大学机械工程学院副教授兼普渡大学多尺度机器人与自动化实验室主任David Cappelleri说。

2月3日在线发表在Micromachines期刊上的一篇研究论文中详细介绍了研究结果。该论文由Purdue研究生Chenghao Bi撰写; 博士后研究员Maria Guix; 博士生Benjamin V. Johnson; Wuming Jing，劳伦斯理工大学机械工程助理教授; 和Cappelleri。

扁平的，大致哑铃形的微型泡沫由聚合物制成并具有两个磁性端部。非磁性中段可用于携带诸如药物之类的货物。由于机器人在潮湿环境中运行良好，因此具有潜在的生物医学应用。

“微观和纳米级的机器人技术代表了智能自动化系统的新领域之一，”Cappelleri说道。“特别是，移动微机器人最近成为生物医学应用的可行候选者，利用其小尺寸，操纵和自主运动能力。有针对性的药物输送是这些纳米和微型机器人的关键应用之一。”

药物输送微型小鼠可以与超声波结合使用，以引导它们到达它们在体内的目的地。

研究人员研究了机器在横向倾斜60度时的性能，证明了在潮湿和干燥环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，因为人体表面很复杂，”Guix说。“它很崎岖，很粘。”

适用于许多应用的理想技术是不受限制的微机器人，可适应各种环境并且操作简单。Cappelleri说，通过磁场激活的微型计算机已经显示出了希望。

虽然到目前为止所探索的概念需要复杂的设计和微加工方法，但μTUM是采用半导体工业中使用的标准光刻技术生产的。新论文的重点是微机器人的设计，制造和旋转磁场的使用，以便在一个协商复杂地形的战略中运行它们。

开发这种微型电池的一个关键因素是分子之间的静电和范德华力的影响，这些分子在微米尺度上普遍存在，但在日常生活的宏观尺度上并不普遍。这些力量会在影响其运行的微小部件之间造成“静摩擦”。研究人员模拟了这种力量的影响。

“在干燥条件下，这些力使得将微型气囊移动到体内预定位置非常具有挑战性，”Guix说。“它们在流体介质中表现更好。”

因为微小的机器人包含如此少量的磁性材料和表面积，所以需要相对强的磁场来移动它们。同时，生物流体或表面抵抗运动。

“这是有问题的，因为微型机器人在真实工作环境中成功运行，移动性至关重要，”Cappelleri说。

克服该问题的一种方法是使用翻滚运动，其需要比其他需要更低的磁场强度。机器人性能的另一个关键是连续旋转的磁场。

“与microTUM不同，其他微型机器人在交变磁场下使用摇摆运动，机器人与表面之间的接触不断丢失并重新获得，”Bi说。“虽然用于μTUM的连续旋转场比交替场更难实现，但权衡的是翻滚机器人总是有一个与地面接触的点，前提是没有尖锐的下落或悬崖。这种持续的接触意味着μTUM设计可以利用其自身与其下方表面之间的恒定粘附力和摩擦力来攀爬陡峭的倾斜地形。

微粒在干纸表面上进行测试，并在水和硅油中进行测试，以测量和表征其在不同粘度的流体环境中的能力。研究结果显示，高粘度流体(如硅油)限制了机器人的最大速度，而低密度介质(如空气)则限制了它们可以攀爬的陡峭程度。

microTUM可以通过“高级粘附”功能进行升级，以执行生物医学应用的药物输送。

未来的工作将集中在μTUM的动态建模，以预测其在复杂地形上的运动轨迹，以及解决不同环境界面上存在的独特挑战。其他目标包括开发“基于视觉”的控制系统，该系统使用相机或传感器进行精确导航，并使用此类机器人精细操纵物体以用于潜在的工业应用。还将探讨机器人中间部分的替代设计。

“对于所考虑的所有设计配置，机器人的中间部分保持非磁化，以便探索未来将有效载荷嵌入机器人区域的可能性，”Cappelleri说。“用符合要求的材料或可溶解的有效载荷替换这个区域可以分别改善动态行为和体内药物输送，在微物体操作和生物医学应用方面具有深远的潜力。”