伍伦贡大学李卫华、伯明翰大学唐诗杨、北卡州立Dickey及中科大张世武: 电化学调整液态金属界面实现爬行机器人足底的可逆吸附

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柔性爬行机器人在监测，救援等复杂环境的探测具有广阔的应用前景。然而大多数现存的柔性爬行机器人利用不可调节的足底被动地引入不对称的摩擦力致动或者只能在专门设计的表面上移动。因此，机器人常常缺少在二维平面任意方向的移动或者在不可预测的环境中如润湿的表面上移动的能力。

澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授课题组，英国伯明翰大学唐诗杨博士课题组，美国北卡罗莱纳州立大学Michael D. Dickey教授以及中国科学技术大学张世武教授课题组利用电化学调节液态金属的界面，成功开发了液态金属智能足（LMSF）。该液态金属智能足能够通过电气控制快速可逆地改变机器人足底的摩擦力，实现在湿滑表面上的柔性爬行机器人的多功能驱动。配有液态金属智能足的机器人能够在不同溶液及不同表面上工作，并且能够实现二维平面的任意方向移动。该项工作有望在先进柔性机器人系统的发展中找到更大的应用空间。相关成果以标题 “Reversible Underwater Adhesion for Soft Robotic Feet by Leveraging Electrochemically Tunable Liquid Metal Interfaces” 发表在 ACS Applied Materials & Interfaces 。

图1 LMSF的工作机制以及其在溶液中不同电压及浓度的状态

液态金属在电解质溶液中通过电化学可逆地快速地形成和去除其表面的氧化膜。相对于没有氧化膜的液态金属与底面形成的固态-液态接触，该氧化膜与底面实现的固态-固态界面接触有效地提高了摩擦力。本研究中的柔性致动器是由形状记忆合金（SMA）弹簧嵌入弹性复合材料中制成。通过可调整的摩擦力差及柔性致动器的驱动按特定顺序整合到柔性爬行机器人中可以有效地实现柔性爬行机器人在湿滑表面的运动，如图1所示。其中图1（e）展示了LMSF在不同电压及浓度的状态。为了保证LMSF 的工作状态，将正极电压控制在1V并且保持溶液浓度在0.05-1.5mol/L。

图2 LMSF操作优化及长时间稳定工作的能力

该工作通过研究柔性致动器收缩时间及收缩和恢复时间的比值对其运动能力的影响，优化得到能够稳定工作并且保证每个周期有较大的有效位移的参数，如图2所示。此外，通过观察连续操作机器人30分钟内机器人身体的长度随时间的变化，可以看出在最优的比值参数下，机器人能够稳定的工作，并且LMSF的工作状态没有变化，展示了LMSF长时间稳定工作的能力。

图3 LMSF的性能表征

该工作还研究了配有LMSF的爬行机器人在具有不同倾角的斜坡上爬行的能力，如图3所示。在一定范围内LMSF可以顺利地在湿滑的倾斜表面移动。通过设计LMSF的氧化膜形成去除及SMA弹簧的驱动顺序，机器人可以实现往返运动。值得一提的是，LMSF能在多种表面及溶液中移动。

图4 二维平面驱动机器人的设计与原理（并行及十字形SMA弹簧爬行机器人）

为了更好地开发LMSF的应用，该工作还通过不同的方式组合SMA弹簧成功实现了柔性爬行机器人的转向及任意方向的移动。其工作机理与单SMA弹簧的柔性爬行机器人类似，具体机理如图4所示。

总之，该LMSF仅需要较小的电压即可正常工作，能量消耗小且结构简单，组装方便。LMSF不仅探索了液态金属在湿滑表面上的表面吸附力的变化现象，进一步拓展了液态金属表面吸附力的研究，而且可以应用于各种爬行机器人或致动器中，为爬行机器人在复杂环境中的运动进行了有益的探索。

伍伦贡大学博士研究生陆鸿达为论文第一作者，英国伯明翰大学唐诗杨博士，澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授，美国北卡罗莱纳州立大学Michael D. Dickey教授，以及中国科学技术大学张世武教授为共同通讯作者。

视频链接：https://youtu.be/G_Jxcz-XmeE 

作者简介

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本文第一作者陆鸿达于2018年毕业于中国科学技术大学（USTC）,获工学学士学位。现于澳大利亚伍伦贡大学李卫华教授，英国伯明翰大学唐诗杨博士联合指导下攻读博士学位。其研究方向包括液态金属，液态金属微纳米颗粒的制备及应用，模块化整体系统的开发。

相关链接

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.1c09776

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