基于变形材料的微型机器人自主导航

这是通过变形的自主导航机制的示意图。

大多数合成材料，包括电池电极，聚合物膜和催化剂中的合成材料，由于没有内部修复机制，因此会随着时间而降解。如果您可以在这些材料中分发自主微型机器人，则可以使用微型机器人从内部连续进行维修。化学工程学副教授凯尔·毕晓普（Kyle Bishop）实验室的一项新研究提出了一种微型机器人策略，该机器人可以感知材料缺陷的症状并自动导航到可以执行纠正措施的缺陷位置。该研究于2019年12月2日发表在《物理评论研究》（Physical Review Research）中。

游泳细菌通过集成化学传感器和分子马达来寻找营养成分高的区域，就像自动驾驶汽车一样，该自动驾驶汽车使用来自摄像头和其他传感器的信息来选择适当的动作以到达目的地。研究人员已经尝试通过使用由化学燃料或其他能量输入推动的小颗粒来模仿这些行为。尽管环境中的空间变化（例如，燃料浓度）可以起到使粒子物理定向并由此引导其运动的作用，但是这种类型的导航具有局限性。

这是在噪声和复杂环境中模拟的导航轨迹。

毕晓普说：“现有的自走式粒子更像是一列由钢轨机械操纵的失控火车，而不是由感官信息自动引导的自动驾驶汽车。”“我们想知道我们是否可以设计出带有物料传感器和致动器的微型机器人，它们可以像细菌一样进行导航。”

Bishop的团队正在开发一种新的方法，该方法基于变形的材料来对微型机器人的自主导航进行编码。环境的局部特征（例如温度或pH）决定了粒子的三维形状，进而影响了粒子的自推进运动。通过控制粒子的形状及其对环境变化的响应，研究人员对微型机器人的建模方法进行了设计，使其能够上下旋转刺激梯度，甚至是那些太弱而无法被颗粒直接感知的刺激梯度。

“我们首次展示了如何将响应性材料用作小于人发厚度的微型机器人的机载计算机，这些微型机器人被编程为可自动导航，”该论文的合著者Yong Dou说道。学习和博士学位Bishop实验室的学生。“这类微型机器人可以执行更复杂的任务，例如对材料缺陷进行分布式感测，自动运送治疗性货物以及按需修复材料，细胞或组织。”

Bishop的团队现在正在建立实验，以使用诸如液晶弹性体和形状记忆合金之类的变形材料，在实践中证明其针对微型机器人的理论导航策略。他们希望证明实验将证明刺激响应，变形的微粒可以利用感应和运动之间的工程反馈来自动导航。

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参考：Yong Dou和Kyle J.M.Bishop撰写的“变形微游泳器的自主导航”，2019年12月2日，Physical Review Research.DOI：
10.1103 / PhysRevResearch.1.032030

这项工作得到了生物启发能源科学中心的支持，这是一个由美国能源部科学技术办公室，基础能源科学部资助的能源前沿研究中心，获得了DE-SC0000989奖。