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《液态全柔性智能机器人新突破》

  • 来源专题：集成电路
  • 编译者： shenxiang
  • 发布时间：2019-11-19

  • 天津大学精仪学院黄显教授团队成功研发出液态全柔性智能机器人，有望成为柔性电子产业和植入医疗器械的革命性突破。相关研究成果近期发表于国际工程和自然科学领域权威期刊《尖端科学》，并得到国家自然科学基金和天津自然科学基金等支持。

    柔性电子器件具有超薄、可折叠、可延伸的“类皮肤”特性，在能源、医疗、通讯等领域拥有广阔的应用前景。该机器人除了拥有良好的运动性和适应能力外，还搭载着多种传感器，温湿度传感器，食品毒素传感器，无线能量采集模块，该机器人诞生具有重要的科学价值和应用市场。

    黄显教授表示：理论上，利用柔性电子技术研发的微型“软体”机器人可以反复改变形状，实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能。但现阶段“软体机器人”依然面临“硬伤”，需要依赖传统的刚性传感元件和电路，严重阻碍了性能的实现。现代社会的多元化需求急切呼唤“全柔性”机器人的出现。

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  • 《这些新的软执行器让机器人抓手更柔性》
    • 来源专题：数控机床——前沿技术
    • 编译者：icad
    • 发布时间：2019-10-15
    • 加利福尼亚大学圣地亚哥分校的工程师已经开发出一种构建紧凑，便携式和多功能软机器人的方法。他们通过制造柔软的管状致动器来实现这一进步，该致动器的运动受到电气控制，使其易于与小型电子元件集成。 　　作为概念验证，工程师使用这些新的执行器构建了一个柔软的电池供电的机器人，该机器人可以不受约束地在平坦的表面上行走并移动物体，他们还建造了一个柔软的抓手，可以抓取小物件。 　　这个不受限制的软机器人由电气控制，具备四个软管状执行器，一个微控制器和一个电池组成，可以对机器人进行编程以步行或搬运物体。该团队由加州大学圣地亚哥分校机械和航空工程学教授蔡胜强领导，于10月11日在《科学进展》上发表了这项研究。 　　大多数软执行器的问题在于它们具有庞大的设置。那是因为它们的运动是通过泵送空气或流体通过内部腔室来控制的。因此，使用这些类型的执行器构建机器人将需要把它们束缚到泵，大型电源和其他专用设备上，在当前的研究中，加州大学圣地亚哥分校的工程师创建了由电控制的软执行器。蔡说：“此功能使我们的管状执行器与大多数低成本的市售电子设备和电池兼容。” 　　致动器由用于机器人的人造肌肉的一种材料制成，称为液晶弹性体。它们由嵌入弹性聚合物网络中的液晶分子组成。这些材料的独特之处在于，它们可以响应热或电等刺激而改变形状，移动和收缩，这与肌肉响应神经细胞信号的收缩方式相似。 　　为了构造每个执行器，工程师将三根加热丝夹在两层液晶弹性体薄膜之间。然后将材料卷成管，进行预拉伸并暴露在紫外线下。可以独立控制每条加热丝，以使管子在六个不同的方向上弯曲。当电流通过一根或两根电线时，它会加热管子的一部分并使其向那些电线的方向弯曲。当电流通过所有三根导线传输时，整个管子会收缩，从而缩短长度。关闭电源后，灯管会慢慢冷却并恢复其原始形状。 　　机械和航空航天工程博士学位的第一作者何其光说：“利用外部施加的电势可以很容易地对每个管状致动器的位置进行编程。” 加州大学圣地亚哥分校雅各布斯工程学院的学生。 　　将多个执行器结合在一起使工程师能够构建不同类型的软机器人。他们使用四个执行器作为支腿，建立了一个不受束缚的行走机器人。该机器人由板上的小型锂/聚合物电池供电。他们还使用三个执行器作为手指构建了一个柔软的抓手。 　　每个机器人都有一个板载微控制器，工程师可以在其中为执行器编程一系列电控运动，这使机器人可以独立移动。该团队现在正在研究可以更快移动的软执行器。当前的执行器需要大约30秒钟才能完全弯曲和收缩，最多需要4分钟才能恢复其原始形状。那是因为材料要花一些时间才能完全加热和冷却。他说，最终目标是使执行器能够像人的肌肉一样快速收缩和放松。
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  • 《《科学美国人》评出2019年十大突破性技术》
    • 来源专题：科技大数据监测服务平台
    • 编译者：zhangst
    • 发布时间：2019-07-10
    • 日前，著名科普杂志《科学美国人》公布了2019年十大突破性技术榜单。榜上有名的既有“高深莫测”的新型核反应堆和DNA存储，也有“平易近人”的新型肥料和食品包装。科技日报记者梳理后发现，这十大技术可分为清洁环境、革新能源、促进健康、便捷生活与颠覆创新五个大类。 清洁环境类技术 可生物降解塑料和智能肥料技术能够使环境更清洁。 塑料垃圾不仅能在环境中存在数百年，还会释放有毒化合物。之前以玉米、甘蔗或废油脂为原料生产的可生物降解塑料，性能难以与普通塑料相比。现在，英国伦敦帝国理工学院、芬兰梅特根生物技术公司等正在研究使用低成本离子溶剂和生物酶处理纤维素或木质素，生产新型可生物降解塑料，有望助力解决塑料垃圾问题。 农用肥料中的氮会在大气中形成温室气体，磷则进入河流，引发藻类等生物过度生长。海法集团和ICL特种肥料等公司利用先进的材料和制造技术，改进胶囊类缓释肥料外壳，使其成为“智能肥料”，能根据土壤温度、酸度或养分改变释放率。相比需要人工智能、数据分析和大量传感器的所谓“精确农业”，这种方式更易推广。 革新能源类技术 新型核能和大规模储能技术有望带来新的能源革命。 现有的商业核反应堆使用的几乎都是将铀芯堆积在锆合金内的核燃料棒。如果锆过热，它会与水反应产生氢气并爆炸，这一问题导致了美国三岛和日本福岛的核事故。正在研制的“第四代”核反应堆将用液态钠或熔盐代替水来传递热量，避免产生氢气。美国则提出建设小型模块化反应堆以提高安全性。新型燃料和小型模块化反应堆有望带来核电复兴。 风能和太阳能是主要的可再生能源，但需要大规模的储能技术存储“备用能量”，以便在晚上或无风的时候使用。之前，抽水蓄能和锂电池是主要的储能方式，分别存在成本高和储能时间短的缺点。美、韩、中、日等国正在研制大型流电池和氢燃料电池，有望解决上述问题。 促进健康类技术 治疗癌症和阿尔茨海默氏症的新靶点、先进的食品跟踪和包装技术能使人类更健康。 近年来，科学家发现了一种名为“本质无序蛋白”（IDP）的特殊蛋白质，一旦其不能正常工作，就会导致癌症或神经退行性疾病。随着科学家对IDP的研究愈发深入，工业界开始关注以IDP为靶点的治疗方法。IDP、Graffinity、Cantabio等制药公司都在研究相关药物，为治疗癌症、阿尔茨海默氏症等疾病带来新的手段。 据世界卫生组织统计，全球每年约有6亿人食物中毒，其中42万人死亡。新技术能够有效缓解这一问题。IBM公司基于区块链技术的云平台IBM Food Trust能够帮助食品行业快速溯源有毒食品，而TimeStrip UK和Vitsab International等企业研制的带有传感器的食物标签，能够帮助人们确定食品是否在适当的温度下储存和是否开始变质。 便利生活类技术 人类生活会因社交机器人和远程协同呈现技术更便捷。 人工智能技术使工程师能够将心理和神经科学转化为算法，让机器人能够识别声音、手势、眼神和情绪等以适应人们的需要。Softbank Robotics开发的人形机器人Pepper足以识别人脸和基本情感，并通过“胸部”的触摸屏对话，已经用来提供酒店登记、机场客户服务，担当购物助理等。此外，越来越智能的治疗机器人和玩具机器人，对老年人和孩子也很有吸引力。 远程协同呈现技术能够使不同地点的人克服空间的隔阂近距离接触。增强现实（AR）、虚拟现实（VR）及5G通信技术的发展使之成为可能。“X大奖”基金会已经发起了1000万美元的“ANA阿凡达”大奖赛，旨在“将人的感觉、行动和存在实时传送到一个遥远的位置，从而带来一个更为紧密的世界”。微软等公司也在进行相关研究。未来3—5年内，远程协同呈现技术将迎来突破。 颠覆创新类技术 以金属为材料的微型透镜和以DNA为载体的数据存储技术是榜单中最具颠覆性的技术创新。 一想到镜头材料，人们最先想到的就是玻璃，谁能想到金属？但传统的玻璃切割和玻璃弯曲技术很难制造出微型透镜，这限制了光学产品的小型化。现在，科学家使用金属替代玻璃制造透镜，并且发现金属透镜无需分层就能消除色差，在解决散光等导致图像失真和模糊的像差问题上也有所突破。金属透镜使设计、制造微型光学器件成为可能。 人类正面临严重的数据存储问题。到2020年，全球每年需要4180亿个1TB容量的硬盘才能容纳全部数据。相比之下，一个边长约1米的DNA立方体就足以容纳等量数据。事实上，DNA数据存储技术并不遥远。2017年，哈佛大学的研究人员将一只手的图像记录到了大肠杆菌的基因组中。华盛顿大学和微软研究院的研究人员已经开发出一个完全自动化的系统，用于编写、存储和读取DNA编码的数据。
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