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betway必威官网手机版新资料能让显示器自己修复

来源:http://www.abirdfarm.com 作者:betway必威官网手机版 时间:2019-07-19 12:20

三年前,迪士尼出品了动画电影《超能陆战队》,其中的机器人大白,萌翻了广大群众。

自我修复材料是一种在物体开裂或受损时能自动进行修复的新型材料,人类皮肤就具备自我修复的能力。自我修复材料可应用于手机和电池上,让摔裂的手机屏修复如新,或让摔断的电池恢复供电功能。

美国加州大学河滨分校的科研人员开发出一种具有延展性并能导电的透明聚合物材料,可实现电子设备和机器人的自我修复,特别适用于手机屏幕和手机电池。该研究成果将在近期举办的第253届美国化学学会年会上展出。 自我修复材料是一种在物体开裂或受损时能自动进行修复的新型材料,人类皮肤就具备自我修复的能力。自我修复材料可应用于手机和电池上,让摔裂的手机屏修复如新,或让摔断的电池恢复供电功能。 自我修复的关键是化学键。材料中存在两种类型的键:一种是较强的共价键,一旦断裂不容易重新整合;另一种是较弱的非共价键,非常有活性,比如氢键。大多数自我修复聚合物主要依靠氢键或金属配体构成,但这些非共价键并不适合制造离子导体。 此次,研究人员采用了离子偶极相互作用的非共价键,其具备一种特殊的黏合力,这种力存在于带电离子和极性分子之间。离子偶极相互作用此前从未应用于设计自我修复聚合物,新实验证明,其特别适合离子导体。 新的自我修复材料由一种极性可延展的聚合物——偏氟乙烯和六氟丙烯聚合物以及离子盐构成,可以拉伸到正常尺寸的50倍,其断为两半后,能在一天之内实现完全自动对接。 为了测试新材料,研究人员利用它制作了一种“人造肌肉”,在两层离子导体间放置了一个绝缘膜。结果显示,新材料可对电信号作出反应,带动人造肌肉移动。 目前,研究人员正在高湿度环境等恶劣条件下对此材料进行测试。此前的自修复聚合物在高湿度环境下表现不佳,因为材料进水后,会改变机械性能。他们正在对聚合物进行微调,以使其更接近实际应用。

美国加州大学河滨分校的科研人员开发出一种具有延展性并能导电的透明聚合物材料,可实现电子设备和机器人的自我修复,特别适用于手机屏幕和手机电池。该研究成果将在近期举办的第253届美国化学学会年会上展出。

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英文出处:The Verge。欢迎加入翻译组。

betway必威官网手机版 1大白是一种典型的软体机器人,身体可任意变形。图片来源: Disney Wiki

美国加州大学河滨分校的科研人员开发出一种具有延展性并能导电的透明聚合物材料,可实现电子设备和机器人的自我修复,特别适用于手机屏幕和手机电池。该研究成果将在近期举办的第253届美国化学学会年会上展出。

自我修复材料是一种在物体开裂或受损时能自动进行修复的新型材料,人类皮肤就具备自我修复的能力。自我修复材料可应用于手机和电池上,让摔裂的手机屏修复如新,或让摔断的电池恢复供电功能。

副标题:机器人还不能和人类并肩工作,但软体机器人也许可以

大白是一个医疗机器人,如果在材质上分类,他属于软体机器人。传统机器人大多采用金属或塑料等材料制造,给人的感觉总是“硬邦邦”的。而软体机器人往往非常柔软,整个机体能任意弯曲变形,可以在管道或窄缝等特殊场景中发挥用处。

自我修复的关键是化学键。材料中存在两种类型的键:一种是较强的共价键,一旦断裂不容易重新整合;另一种是较弱的非共价键,非常有活性,比如氢键。大多数自我修复聚合物主要依靠氢键或金属配体构成,但这些非共价键并不适合制造离子导体。

自我修复的关键是化学键。材料中存在两种类型的键:一种是较强的共价键,一旦断裂不容易重新整合;另一种是较弱的非共价键,非常有活性,比如氢键。大多数自我修复聚合物主要依靠氢键或金属配体构成,但这些非共价键并不适合制造离子导体。

 

betway必威官网手机版 2五花八门的软体机器人。图片来源:参考文献[1]

研究人员此次采用了离子偶极相互作用的非共价键,其具备一种特殊的黏合力,这种力存在于带电离子和极性分子之间。在此之前离子偶极相互作用从未应用于设计自我修复聚合物,新实验证明,其特别适合离子导体。

此次,研究人员采用了离子偶极相互作用的非共价键,其具备一种特殊的黏合力,这种力存在于带电离子和极性分子之间。离子偶极相互作用此前从未应用于设计自我修复聚合物,新实验证明,其特别适合离子导体。

安迪·马切斯拥有很多鱼缸,但却没有鱼食——他的鱼更爱电池和压缩空气。最近的一个星期一,马切斯对他那条水绿色的硅胶鱼-泡泡进行了一次无水演示,泡泡身体两侧的腔体交替充气,尾巴随之来回摆动,活像一条真的鲤鱼。它是第一条绝大部分零件为软质材料的自主独立型机器人。

目前,制造软体机器人的材料通常是弹性高分子材料。这类材料弹性十足,然而却很容易受损,特别是出现了微小缺口的时候,极易“恶化”,形成大面积破损。这也是包装袋从小缺口处一撕就开的原理。

新的自我修复材料由一种极性可延展的聚合物——偏氟乙烯和六氟丙烯聚合物以及离子盐构成,可以拉伸到正常尺寸的50倍,其断为两半后,能在一天之内实现完全自动对接。

新的自我修复材料由一种极性可延展的聚合物——偏氟乙烯和六氟丙烯聚合物以及离子盐构成,可以拉伸到正常尺寸的50倍,其断为两半后,能在一天之内实现完全自动对接。

机器人专家偏爱刚性结构,因为算法可以从成熟的工业机器人移植。但是软体机器人的出现解决了现有机器人的两大问题。它们不需要像依赖弹簧和关节的硬体机器人那样精确的计算动作,使得它们可以在家庭、灾难现场和医院之类无序环境中更好地通行。它们天生“无拘无束”,意味着可以和人类并肩工作。就算软体机器人翻倒或是失灵,也不会比被枕头打一下更危险。它们也不容易弄伤自己。

此外,大多数软体机器人都不具有马达等动力装置,只能依靠压缩空气或液体驱动机体运动[2],运行中的软体机器人就如同一个吹鼓了的气球。然而,软体机器人的应用场景往往充满了尖锐的物体——比如管道或者狭窄空间的边边角角——也就是说,这个吹鼓了的气球还必须在钉子堆里工作。可想而知,软体机器人大多“短命”。

为了测试新材料,研究人员利用它制作了一种“人造肌肉”,在两层离子导体间放置了一个绝缘膜。结果显示,新材料可对电信号作出反应,带动人造肌肉移动。

为了测试新材料,研究人员利用它制作了一种“人造肌肉”,在两层离子导体间放置了一个绝缘膜。结果显示,新材料可对电信号作出反应,带动人造肌肉移动。

泡泡的演示给我们难得的机会,可以管窥精英云集的麻省理工计算机科学及人工智能实验室(CSAIL),该实验室的毕业生发明了万维网和公钥加密。CSAIL研究各种类型的机器人,但是受到诸如3D打印等一系列关键技术旳启发,来自生物学、材料科学、机器人科学等其它学科的科学家们开始对机器人重新演绎,它们不像C-3PO(《星球大战》中的一个机器人,译者注) ,更像八爪鱼。

为了解决这一问题,来自比利时自由大学的研究人员提出了使用自修复(self-healing)材料来制造软体机器人的构想[2]

目前,研究人员正在高湿度环境等恶劣条件下对此材料进行测试。此前的自修复聚合物在高湿度环境下表现不佳,因为材料进水后,会改变机械性能。他们正在对聚合物进行微调,以使其更接近实际应用。

目前,研究人员正在高湿度环境等恶劣条件下对此材料进行测试。此前的自修复聚合物在高湿度环境下表现不佳,因为材料进水后,会改变机械性能。他们正在对聚合物进行微调,以使其更接近实际应用。

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自修复材料是指具有自愈合能力的智能材料,其灵感来源于受伤后能自我修复的生物体。这一概念在2001年一经提出,立刻吸引了大量研究者的目光。现如今,已经有很多种自修复材料得到了应用,比如汽车的自修复涂层,能愈合划痕的手机盖等。具备自修复能力的沥青和混凝土,也走出了实验室,正在准备进入建材市场。值得一提的是,极具潜力的人造皮肤首选材料也是可拉伸的自修复膜[3]

去年,软体机器人领域骤然间关注度大增。不久之后哈佛大学涌现了多个小组,他们研究软体的机器手、弹跳腿、机器护甲和可以跳林波舞(一种西印度群岛的舞蹈,舞者须向后仰并穿过一支水平杆,每次都要比前一次仰得更低,译者注)的四足机器人。伍斯特理工学院软体机器人实验室的研究人员正在制造一条机器蛇。旧金山一家名为Otherlab的科技创业公司建造的充气式机器人可以握手、行走并搭载人员。意大利的一个研究小组模仿章鱼造出了一个机器触手。

在比利时自由大学的研究中,科学家们使用了一种高分子自修复材料。这种材料由两种小分子(呋喃、马来酰亚胺)通过Diels-Alder(DA)键相互连接形成。材料出现伤口,其实是这些DA键被切断了。幸好,通过加热,可以让这些DA重新连接起来。具体来说,就是升高伤口部位的温度(至80℃),破坏更多DA键。正所谓“不破不立”,这些DA键断了后,释放出很多可以自由运动的呋喃和马来酰亚胺小分子。而且也因为温度高的缘故,这些小分子的移动速度很快,如同热锅上的蚂蚁。于是,这些自由奔跑的小分子们相互碰撞交融。之后把温度降下来,小分子之间就可以生成新的DA键,自动愈合伤口。

上世纪70年代之前,汽车制造商把车造得更大更重以求安全。之后,气囊出现了,这个轻质的安全设备平时折叠隐藏在车体内,感应到碰撞时才弹出。类似的革新也发生在防弹衣、桥梁以及隐形眼镜上,而研究人员认为机器人也在出现相似的改变。

betway必威官网手机版 4基于DA反应的自修复原理:红脸的呋喃,绿脸的马来酰亚胺。图片来源:圆的方块灵魂手绘

“这不是传统机器人技术的一部分,”福米亚·利达这样表示,他是瑞士苏黎世联邦技术学院仿生机器人学教授。“它们必须要以完全不同的思维来对待,用不同的材料制造,用不同的能源驱动。这是我们未来的必然之路。”当前,世界上给人印象最深的硬体机器人之一是波士顿动力公司300磅重的人形机器人阿特拉斯(Atlas)。它要是想抓起一只球,它需要感知周围,计算手指与球之间的精确距离,还要算出手要放的确切位置以及要施加多大的力道。

betway必威官网手机版 5高倍显微镜下观察材料的自修复过程。在高倍显微镜下,可以更为细致地观测到这个愈合过程。画面正中,一条切口将的材料分成了左右两半,为了加强对比,研究者还将两边渲染成了不同的颜色。随着温度的逐渐升高,材料会“唰”地一下变色,这暗示着是更多DA键的断裂。紧接着,将温度降低,左右两边材料相交的界面开始重新粘结,颜色发生了明显变化。随着新DA键的产生,原本的切口会如同被一只无形的手所抹平。来源:参考文献[2]

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betway必威官网手机版新资料能让显示器自己修复,未来机器人未有终结者那样的外部。科学家们将这种带有自修复能力的高分子,加工成了一种由一排空腔和底层连接板组成的特殊构造。其中,底层板中相应位置有气孔,可以向空腔内注入或抽取空气,让空腔膨胀或者收缩。通过精确控制各个小空腔的体积,就可以实现空腔阵列的变形和移动。

上图:传统硬体机器手设计               下图:软性弹力体机器手设计

betway必威官网手机版 7自修复材料制作的气动部件:空腔阵列和底层板。图片来源:参考文献[2]

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阿特拉斯这类机器人“思考得太多了,”塔夫茨大学的教授巴里·特里莫博士说到,他也是上月刚创刊的《软体机器人》杂志的编辑。“它们太犹豫了。‘接下来我的脚该放哪里?’动物就不会这么纠结。我们需要摒弃那种必须控制每个变量的思想。”

随后,研究人员用这一串串的空腔阵列,组装出了两种特殊的机器人。

相比之下,哈佛大学的海星外形软体机器爪就只需要给它一个充气的命令。当它充满了气,它的形状也就和物体外形一样,“手指”也有了足够的抓力来提起物体。还可以以人类拿起水杯为例。我们的头脑并不需要计算玻璃杯的精确尺寸和形状;我们的手会自动适应要拿的物体。同样,泡泡并不计算动作的幅度。“任何时候它都不知道它的尾巴在哪里,”马切斯说。

第一种是自愈软手。手型机器人在实际操作过程中往往碰到很多尖锐物体,如金属边缘或破碎的玻璃等。甚至一张纸的锋利边缘都会对这类软体机器人造成伤害。但通过自修复材料做成的手型机器人,即使被刀片划破,也能照常运行,极大提升了软手的使用寿命。

Otherlab最近衍生出了一家名为Pneubotics专注软体机器人的创业公司,创始人索尔·格里菲斯表示,跟投入硬体机器人的人力财力相比,软体机器人得到的只是九牛一毛。

betway必威官网手机版 9具有自修复能力的机器软手,即使戳破指头也不妨碍运动。来源:参考文献[2]

他在电子邮件中说到:”我们进入软体机器人领域格外早,这个圈子炒作多于实质…关于独特的功能和性能,可能只有3到4个让人感兴趣的演示。这些东西体现出的灵活性、可能的低成本以及对人类尺度任务的良好适应性让软体机器人非常引人瞩目。“

第二种是气动夹具类机器人。这类夹具类似夹娃娃机的机器手,因为非常灵活,可以处理各种软物体或形状复杂的物品,比如用来分装水果或蔬菜。在这个过程中,水果的树枝等往往会对夹具造成损害。使用DA聚合物材料的夹具,不仅能够夹“万物”,还不怕这种日常磨损。

betway必威官网手机版 10这一领域也有技术方面的挑战。除了空压与液压致动器,软体机器人还在试验使用根据电压伸缩的弹性材料,即电场活化聚合物还有可以设定在特定温度下变形的记忆合金以及光控弹簧。这些方法都还处于初级阶段,机器人的控制系统也是如此(哈佛大学很多软体机器人的控制系统就是一个接着软管充满空气的注射器)。

betway必威官网手机版 11自修复气动夹具在夹取形状不规则的各种物体。图片来源:参考文献[2]

betway必威官网手机版 12 然而,这是一个崭新的领域,任何可能性都不能排除。理论上讲,软体机器人技术可以用来为人类插上可穿戴式翅膀。更为实际的是,软体机器人可以轻松地包装鸡蛋或是挑拣水果——装备了非凡手爪的传统机器人动辄打破鸡蛋或是搞成苹果泥。大量充满水的”网眼蠕虫“机器人可以投送到灾难现场,它们可以不断蠕动爬到幸存者身边。人们穿上软体机器衣袖后可以消除颤动或是弥补年老后衰减的力量。它们还可用在太空探索,那里重量是非常重要的考量;在修复术中,它们为人们带来舒适与自然的感受。在家中,它们到处都可以帮上忙却不会踩到狗;它们还可用于手术,现在的手术机器人因为刺穿病人的内脏已经激起了数起诉讼。

除此以外,研究者们还测试了自修复材料作为气动人造肌肉的潜力。这种人造肌肉经常用作机器人的动力装置,通过压缩和排出空气,可以产生很大的推力。当然,产生的力量越大,装置外壁需要承受的压力也就越大,这往往会导致磨损或泄漏,降低人造肌肉的生命周期。

特里莫甚至想象有一天软体机器人将用实验室生成的、由脂肪驱动的肌肉组织构建。他认为机器人学的思维方式刚开始转变。他说,”如果转变成功了,软体机器人学就不会作为一个领域存在。机器人学将会整合所有这些技术与方法。软体机器人将会成为多数派。“

于是,科学家尝试了用DA聚合物膜作为人造肌肉的外壁。这层厚度仅为0.75mm的外壁,最高可承受高达37kPa的压力。相当于一平方米的这种薄膜,可以承受一头成年亚洲象的重量。即使被破坏了,这些人造肌肉也能自我修复,保持气密性,维持原有的性能[2]

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betway必威官网手机版 13受损的人造肌肉经过自修复,仍能保持原有性能。图片来源:参考文献[2] | 翻译:圆的方块

如果软体机器人达到了使用目的,想要回收材料怎么办?这也好办。DA聚合物不但可以溶解于有机溶剂,还能被重新提取,所以,一旦达到使用寿命,软体机器人的这些自愈组件可以完全回收再利用。

关于作者:toolate

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(新浪微博:@人墙裂) 个人主页 · 我的文章 · 13

生命周期长,还能被循环利用,可以说生的伟大,死的光荣了。

这项研究的通讯作者是布鲁塞尔自由大学的教授Bram Vanderborght ,他本人长这样!

betway必威官网手机版 15Bram教授本人照片,图片来源: Wtnschp.be

Bram教授是一个80后,研究领域包括人机交互,机器人辅助治疗,人形康复机器人等。他还主导过一个机器人项目用来治疗儿童自闭症。简言之,他就是在造大白啊!

好吧,人赢,我服还不行吗!(编辑:明天)

参考文献:

  1. Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of soft robots. Nature, 521(7553), 467.
  2. Terryn, S., Brancart, J., Lefeber, D., Van Assche, G., & Vanderborght, B. (2017). Self-healing soft pneumatic robots. Science Robotics, 2(9), 4268.
  3. Tee, B. C., Wang, C., Allen, R., & Bao, Z. (2012). An electrically and mechanically self-healing composite with pressure-and flexion-sensitive properties for electronic skin applications. Nature nanotechnology, 7(12), 825.

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