• 蘇州納米所在人工神經肌肉纖維方面取得新進展

      生物體可以感知外部刺激并通過神經系統和肌肉組織的協同作用對環境做出反應。例如,蝸牛的觸角在被觸摸時會產生收縮,這種應激性反應有助于蝸牛避免突然的危險,并增加其對環境變化的適應性。隨著軟體機器人的快速發展,利用這種簡單的融合系統,可以使未來機器人更加智能和逼真。此外,結構緊湊的多功能人工肌肉纖維有望簡化傳統的機械傳動單元、力傳感器和圖像識別模塊等多組件系統來實現感知-驅動功能一體化,從而輕便和靈活化軟體機器人的感知與驅動單元。 

      在人工肌肉纖維中集成感知功能以適應環境的變化和實現路徑的實時追蹤是非常必要的,但由于人工肌肉纖維驅動層和傳感層之間的界面不匹配,仍然具有挑戰性。團隊在先前工作的基礎上(Mater. Horiz., 2021, 8, 2541–2552),受蝸牛觸角啟發,提出了人工神經肌肉纖維的概念。通過將CNT纖維芯依次包裹在硅膠彈性體層、納米纖維網絡和MXene/CNTs薄鞘中的精巧同軸結構設計,使得人工神經肌肉纖維在同一根纖維上實現了驅動-感知-反饋的功能。精巧的結構集成中最關鍵是使用了納米纖維界面,其輔助傳感層實現了動態自適應追蹤驅動過程但又不限制肌肉纖維的驅動行程。這項工作為未來小型化智能軟體機器人的閉環控制提供了創新的解決方案。 

      人工神經肌肉纖維精巧的同軸結構設計中,CNT/硅膠彈性體組件提供了驅動功能,而鞘層三維導電網絡由于其靈敏的應變阻值變化特性,實現了觸摸/拉伸感知和無滯后的循環驅動追蹤功能。作為一個整體,該同軸結構建立了一個介電電容器,實現了靈敏的非接觸感知功能。(圖1 

        1. 集成感知-驅動-反饋功能的人工神經肌肉纖維的概念示意圖 

      接近感知信號在不同接近速度下的敏感性可以用來感知外部行為是友好的還是危險的。例如,在日常生活中,握手動作是一個相對較慢的過程,可以通過低接近速度的感應信號來識別(圖2j的黑色曲線);相反,擊打動作是一個相對較快的過程,可以通過高接近速度的感應信號來識別(圖2j的棕色曲線)。人工神經肌肉纖維識別接近信號速度的能力,對于未來的智能機器人采取一系列環境適應行為非常重要。(圖2 

        2. 人工神經肌肉纖維在接觸模式下的壓力/拉伸感知性能和在非接觸模式下的接近感知性能 

      人工神經肌肉纖維在驅動全過程中實現了無遲滯路徑追蹤功能。無遲滯的路徑追蹤意味著,無論人工神經肌肉纖維是收縮還是恢復狀態,纖維的位置狀態都可以通過鞘層的相對電阻變化來識別。目前報道的自傳感人工肌肉纖維的驅動和反饋信號之間普遍存在遲滯性問題,這導致了很難區分人工肌肉纖維的位置狀態,因為一個相對電阻變化值可能對應于一個驅動周期中的兩個或多個不同的位置狀態。由于螺旋狀人工肌肉纖維在驅動過程中的結構變化非常復雜,可能包括扭轉、膨脹和彎曲,因此,原位復制結構形變對于鞘層追蹤驅動的變化是非常重要的。本工作中,引入人工神經肌肉纖維的三維多孔納米纖維層的作用不僅是增加了與MXene/CNT鞘層的結合,而且還提供了對PDMS層驅動過程中實時的原位形變復制功能。(圖3 

        3. 人工神經肌肉纖維的電熱驅動和實時路徑追蹤性能 

      模擬生物體的神經肌肉系統,利用按壓、拉伸和接近的多模態感知信號來觸發人工神經肌肉纖維進行工作的應用場景如圖4所示。在結合電路控制設計的起重機模型中,當人工神經肌肉纖維通過觸摸(或接近)進行短暫的外部刺激時,該纖維可以檢測到電阻的變化(或電容的變化)。一旦激發信號達到設定的閾值,人工神經肌肉纖維被觸發收縮,通過杠桿臂提升物體。同時,通過人工神經肌肉纖維鞘層的相對電阻變化,物體運動和纖維工作過程中的位置變化被原位追蹤。 

        4. 人工神經肌肉纖維的應用場景展示 

      相關工作以Artificial Neuromuscular Fibers by Multi-Layered Coaxial Integration with Dynamic Adaption為題發表在Science Advances上。論文第一作者是中科院蘇州納米所博士研究生董立忠,通訊作者為李清文研究員邸江濤研究員。蘇州納米所輕量化實驗室王光華和張士欽在控制電路設計方面提供技術支持。該工作得到了國家重點研發計劃(2020YFB1312902)和國家自然科學基金(21975281)等項目的支持。 

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