磁性积木机器人-可以组装成形状和控制磁场

Quadrupole模块Emojis.

Quadrupole模块可以组装成二维形状,包括像素的像素艺术emojis。信用:eth zurich / hongri gu

ETH的科学家们已经开发出了立方体形状的磁性积木,可以组装成二维形状,并由外部磁场控制。它们可以用于软机器人应用。

如果你曾经试过把几个非常坚固的小立方体磁铁挨着放在一块磁性板上,你就会知道你做不到。所发生的是,磁铁总是排列自己在一个柱伸出垂直从磁性板。此外,把几排磁铁连在一起形成一个平面几乎是不可能的。这是因为磁铁是偶极的。相等的磁极彼此相斥,一块磁铁的北极总是与另一块磁铁的南极相连,反之亦然。这就解释了为什么它们会形成一个柱子,所有的磁铁都以相同的方式排列。

偶极磁四极模块

偶极磁铁和四极杆模块以图表形式。资料来源:顾浩等。科学机器人2019

现在,Eth苏黎世的科学家们已经设法在距离的立方体形状中创造磁性构建块 - 首次 - 可以连接在一起以形成二维形状。科学家呼叫模块的新建筑块不是偶极物,而是四极石,这意味着它们每个都有两个北极和两个南极。在每个模块中,它们是塑料的3D印刷,有两个小型偶像磁铁,其平等杆彼此面对(见图)。建筑块可以像小棋盘一样组装,以形成任何二维形状。它的工作方式如下:因为南极和北极互相吸引,一个四个南极面向左右的四个南极将吸引,在其四个侧面,建筑块旋转90度,所以它的北方旋转了90度左边和右边的杆子。

四极模块

四极杆模块的边缘长度只有两毫米多一点

基于这一原理,科学家们制作了边长仅略高于两毫米的彩色模块。他们将它们组装成像素艺术表情符号,以展示这些模块的功能。然而,可能的用例远不止这些花招。“我们对软机器人领域的应用特别感兴趣,”ETH布拉德利·纳尔逊教授团队的博士生顾洪日(音)说最近发表了科学机器人

在同一构建块中的四极和偶极子

Quadrupole主导了模块的磁性。它比这更复杂,但是,因为除了强大的四极杆外,科学家还建立了一个弱偶极子进入积木。它们通过将模块中的小磁体以彼此的轻微角度而不是并行(见图)来实现这一点。

“这使得模块与外部磁场相匹配,就像指南针一样,”顾解释说。“通过一个可变的磁场,我们可以移动我们已经构建的模块的形状。加上一些灵活的连接器,甚至可以制造出可以由磁场控制的机器人。”

外部磁场控制四极模块

外部磁场(中间和右边的图像)可以用来控制模块的方向。这里显示的是磁性模块和柔性连接器的组合。资料来源:顾浩等。科学机器人2019

顾说他们的工作最初是为了发展新的原则。他说,它与尺寸无关,这意味着没有理由无法开发更小的四极模块。科学家们还在研究模块如何使用如何在磁场的帮助下将线性结构与多维物体组合到多维物体中。这是未来在药物中可以使用的东西:可以想到,诸如支架的物体可以由由这种模块组成的螺纹形成。通过微小的开口将螺纹插入到相对简单,微创过程中,然后施加的磁场将其组装成主体内的最终多维结构。

参考:“具有任意形状和磁化的磁性四极组件”由Hongri Gu,Quentin Boehler,Daniel Ahmed And Bradley J. Nelson,2019年10月30日,科学机器人
DOI: 10.1126 / scirobotics.aax8977

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