作者:Thamarasee Jeewandara，Phys
（同organic）有机 滑行机器人
(一)基于逆向蠕动波的蚯蚓运动机理示意图(一)
e
与运动方向相反的波)
(二)本研究中使用的金属薄片图片
(丙)和(丁)我们的滑行机器人在气动执行器伸长前后的照片
(五)滑动机器人的前视图，显示电磁铁
请注意，几个红色的塑料球粘在Slinky上，以防止它滚动
图片来源:邓，哈佛大学
学分:科学进步，doi: 10
1126/sciadv
aaz1166 科学家最近探索了非线性波的独特性质，以促进广泛的应用，包括减轻冲击、不对称传输、切换和聚焦
在《科学进展》杂志上发表的一项新研究中，雷勃·邓和哈佛大学、CNRS大学和美国威斯生物工程研究所的一组科学家
S
法国利用非线性波的传播使柔性结构爬行
他们结合了生物实验和理论方法，展示了当启动的脉冲是孤立波时，这种脉冲驱动的运动是如何达到最大效率的
这项工作中开发的简单机器可以在很宽的表面上移动并向前驾驶
该研究扩展了非线性波的各种可能应用，为柔性机器提供了一个新的平台
能够大变形的柔性结构由于其引人入胜的静态响应和支撑大振幅弹性波的能力，在生物工程中引起了人们的兴趣
通过仔细控制它们的几何形状，高度可变形系统的弹性能量景观可以被设计成传播各种非线性波，包括矢量孤子、跃迁波和稀疏脉冲
这种结构的动态行为展示了非常丰富的物理学，同时提供了操纵机械信号传播的新机会
这种机制可以允许单向传播、波导、机械逻辑和缓解等应用
在这项工作中，邓等人
受到蚯蚓体内生物逆行蠕动波运动和超声波马达中线性弹性波产生运动的能力的启发
该团队展示了非线性弹性波在柔性结构中的传播，为移动提供了机会
作为概念的证明，他们专注于Slinky——并利用它创造了一个能够自我推进的脉冲驱动机器人
他们通过将Slinky连接到一个气动执行器上来制造这个简单的机器
该团队使用一个电磁体和一个嵌在回路之间的板来启动非线性脉冲，使其沿着设备从前到后传播，从而使脉冲的方向性指示简单的机器人向前移动
结果表明，这种脉冲驱动运动的效率对于孤子是最佳的，孤子是具有恒定速度和沿传播方向稳定形状的大振幅非线性脉冲
这项研究扩展了孤立波(孤子)的应用，同时展示了如何将它们作为简单的底层引擎来帮助灵活的机器移动
滑行机器人的性能
(一)在测试过程中拍摄的快照，在测试中，我们将前10个线圈延长至Ain = 100毫米，同时保持电磁铁打开
(二)在三个循环试验中头部的位移，其中(一)mh/mtot = 0
23，我们保持电磁铁接通(红线)，(ii) mh/mtot = 0
23，我们在拉伸后关闭电磁铁(绿线)，并且(iii) mh/mtot = 0
32，拉伸后关闭电磁铁(蓝线)
(三)在测试过程中拍摄的快照，其中Ain = 100毫米，我们在拉伸前线圈后关闭电磁体
(四)对于Ain = 100毫米的试验，作为mh/mtot函数的u循环h的演变
正方形和三角形标记对应于mh/mtot = 0
23和0
32个
(五)对于mh/mtot = 0的试验，作为Ain函数的u循环h的演变
32
三角形标记对应于Ain = 100毫米
(六)在单轴试验中测得的滑扣的静态响应
(G)对于mh/mtot = 0的试验，η作为Ain的函数的演变
32
三角形标记对应于Ain = 100毫米
绿色虚线对应于所支持的孤立子的振幅
(8)对于mh/mtot = 0的试验，η作为na和Ain的函数的演变
32
图片来源:邓，哈佛大学
学分:科学进步，doi: 10
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aaz1166 邓等人创造了Slinky机器人
使用长度为50毫米、90圈的金属Slinky，然后测试并理解如何探索其内在的灵活性，并创建一个能够移动的简单机器
他们将两个滑片串联起来(100毫米，180圈)，形成一个基于气动执行器、电磁铁和三块丙烯酸板的简单驱动策略
他们可以在保持电磁铁打开的情况下，使用气动执行器拉伸和缩短设置
该小组通过将机器放在光滑的表面上并用高速摄像机监控来测试机器的反应
邓等
然后关闭磁场，试图破坏对称性，导致机器爬行
他们没有观察到斯林基中的反射波，因为环碰撞时能量耗散很大，而是观察到机器人清晰的向前运动
因此，研究小组探索了弹性波引导机器人移动的方向性——即使存在相同的摩擦系数
非线性波的传播
一个有90个环的细绳从衬底上提起，由一根塑料棒支撑，以减少摩擦
通过在前部预拉伸10个环，并关闭电磁体，我们开始向后部传播弹性波
绿色标记用于跟踪每隔一个循环的位移
见完整的电影信贷:科学进步，doi: 10
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aaz1166 然而，通过弹性脉冲使柔性机器爬行的尝试揭示了实验条件是次优的
例如，他们注意到关闭电磁体后立即倒退
为了限制这种运动，邓等人
增加Slinky机器人头部的质量，同时优化该值以确定最佳范围
在设置中，Slinky在前板和装载板之间保持了10个环
该小组将装载板和前板之间的最大距离定为Ain，大约为100毫米
为了理解机器人的效率是如何为Ain = 100毫米邓等人最大化的
仔细研究了大振幅脉冲通过Slinky的传播
在这些实验中，他们将注意力集中在一个单独的Slinky上，并监视每隔一个循环中绿色标记的位置
然后，他们通过预拉伸前部附近的10个环并关闭电磁体来引发向后部传播的弹性波
这些测试让研究小组能够通过监测每个回路的位移来收集对脉冲传播的更深刻的见解
科学家们认识到机器人的两个主要特征；1)向后传播的波使Slinky的质心向前移动，2)Slinky支持大振幅孤立波的传播
对于na = 4，脉冲太强，它们的能量通过环之间的碰撞而消散
对于na = 30，脉冲太弱，几乎不能传播
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aaz1166 为了进一步了解实验结果，邓等人
开发了一个数学模型来表示单个回路的质量和弹性
计算结果与实验结果非常吻合，模型证实了实验观察
分析进一步证实，当启动的波是孤立波时，Slinky机器人的效率达到最大
孤立脉冲的非分散性和紧凑性使得它们非常有效地将气动致动器提供的能量转化为运动，从而获得最有效的脉冲驱动运动
就这样，邓等人
展示了反向传播的孤子如何有效地向前移动一个细长的机器人
尽管无肢生物此前曾聘请生物工程师设计各种机器人，但该团队认为这项工作是第一个依靠弹性脉冲移动的机器人系统
研究中提出的原理不同于超声波电机使用的原理，因为柔性Slinky机器人使用非线性脉冲波来改变质心的位置，超声波电机相反地由线性正弦波供电
在这项工作中，团队只专注于直线向前爬行，但他们可以探索Slinky的灵活性，以实现一系列的运动
波浪在狭缝中的传播
(一)用于测试脉冲在金属狭缝中传播的实验装置
在t = 0秒时，装载板和滑板前部之间的na = 10圈被拉伸至Ain = 100毫米
(二)t = 0时脉冲在狭缝中传播的快照
10, 0
17, 0
24和0
34 s
圆形标记表示Slinky的质心位置
(三)作为时间函数的Slinky的质心位移
圆形标记对应于(A)和(B)中考虑的时间点
(四)传播脉冲的时空位移图
(五)第10圈和第80圈测得的速度信号
v10 (t)和v80 (t)的互相关随输入幅度Ain的变化
三角形标记对应于Ain = 100毫米
绿色虚线对应于研究中导出的方程所预测的受支持孤立子的振幅
图片来源:邓，哈佛大学
学分:科学进步，doi: 10
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aaz1166 该团队接下来打算通过扭转设备后部的最后一个环来控制机器人的转向角度，同时强调机器人在广泛的表面上移动的现有可能性
虽然邓等人
在这项工作中，仅使用Slinky来实现脉冲驱动运动，其原理是通用的，可以扩展到广泛的可拉伸系统，为适合医疗应用的微型爬行器开辟道路
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