《深圳先进院柔软材料表面爬行机器人研究获新成果》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2018-03-30
  • ,在国家自然科学基金委员会-深圳市人民政府机器人基础研究中心、深圳市科技创新委员会项目资助下,中国科学院深圳先进技术研究院集成所智能仿生中心经过长时间努力,基于Clothbot原型样机成功研究出了其运动控制与姿态调节算法。相关成果Movement Control and Attitude Adjustment of Climbing Robot on Flexible Surfaces(《可在柔软材料表面爬行的机器人运动控制与姿态调节算法研究》)发表在自动化与控制系统顶级期刊IEEE Transactions on Industrial Electronics (IF=7.168)上(DOI:10.1109/TIE.2017.2764870)。

      可穿戴机器人是机器人研究领域的重要分支之一,对于促进新型医疗与现代军事作战有重要的意义。在该领域内准确性与鲁棒性是现存的两大技术难点,难点之一在于与柔性材料接触,精确的系统建模难以实现,难点之二在于难以建立鲁棒的系统控制方法及所携带硬件控制器的计算能力受限。

      文章作者吴新宇研究员、周翊民副研究员和博士研究生刘佳经过长期调研与实践,成功研究出了用于柔性材料的可穿戴爬行机器人的控制算法,该方法可实现其驱动装置位置控制稳定阶段RMSE=0.432和速度控制稳定阶段RMSE=0.505;同时算法可主动调节其机器人尾部倾角,进而调节夹持机构的夹持量,防止因机器人夹持量增大,卡死在柔性材料表面或者因机器人夹持量减小,脱离柔性材料表面。

      吴新宇研究团队是国际上最早研究可穿戴爬行机器人的科研团队之一,也取得了丰硕的研究成果,研制出的三代样机分别命名为Clothbot(2012年),Rubbot(2013年),Clothbot-(2017年)。相关成果System and Design of Clothbot: a Robot for Flexible Clothes Climbing(《Clothbot:一种柔性材料表面爬行机器人系统设计》)发表在2012年机器人领域顶级会议IEEE International Conference on Robotics and Automation(ICRA, IEEE机器人与自动化国际会议)上;Path Planning for Clothes Climbing Robots on Deformable Clothes Surface(《可变形柔性表面爬行机器人路径规划研究》)与Rubbot: Rubbing on Flexible Loose Surfaces(《Rubbot:一种柔性材料爬行机器人》)分别发表在2012年、2013年机器人领域顶级会议IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS,IEEE智能机器人与系统国际会议)上。此外,理论成果Clothbot-: Dynamical Grasping and Climbing on Soft Cloth也发表在机器人领域的国际会议上。

      智能仿生研究中心成立于2006年,由国际著名机器人专家徐扬生院士创建并担任中心主任,吴新宇研究员担任执行主任。中心致力于服务机器人、医疗和康复机器人、智能系统及微型磁控特种机器人等方面的前沿研究。中心牵头建设了广东省机器人与智能系统重点实验室、广东省机器人与智能系统工程技术研究中心及深圳智能机器人工程实验室,与香港中文大学(深圳)共同建设机器人与智能制造国家地方联合工程实验室,并组织策划成立国内首家机器人协会——深圳市机器人协会等行业创新平台。

相关报告
  • 《深圳先进院发表仿生传感与驱动材料综述》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2019-05-17
    • 中国科学院深圳先进技术研究院医工所纳米调控研究室杜学敏副研究员(通讯作者)及其团队成员赵启龙博士(第一作者)、王运龙博士(共同第一作者)和崔欢庆助理研究员等在光电磁功能材料知名期刊 Journal of Materials Chemistry C 上发表仿生传感与驱动材料研究综述,全面总结了可随外界环境变化发生颜色和形状改变的仿生传感与驱动材料的设计原理和研究进展,并详细评述了这类材料在传感器、执行器、柔性电子、软体机器人、生物医药等多领域的应用和发展前景( Bio-inspired Sensing and Actuating Materials , Journal of Materials Chemistry C , 2019, DOI: 10.1039/C9TC01483G, IF: 5.976 )。该综述文章同时被选为 Back cover 与 2019 Journal of Materials Chemistry C HOT Papers 并重点报道。   自然界中许多生物(如章鱼、变色龙、松果、含羞草等)经亿万年进化具备了通过颜色和形态改变来响应环境变化(如湿度、温度、光照、触碰等)的神奇能力,极大提升了生物的环境适应能力和生存能力。生物的这类环境适应性行为,也启发了科学家们研究开发可感知外界刺激并动态改变颜色和形态的新型仿生智能材料。在仿生策略指引下,通过对材料分子功能、微纳结构的合理设计,科学家成功构建了一系列可响应特定刺激并产生颜色和形状改变的新型仿生传感与驱动材料。这类仿生材料在诸多领域,特别是传感器和执行器等方面,具备传统材料难以具有的独特优势和巨大潜力。   在前期研究工作中,杜学敏及其研究团队在仿生变色材料( J. Mater. Chem. C, 2015, 3, 3542; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 38117; Sensor Actuat. B, 2016, 223, 318 )和变形材料( Adv. Mater. 2017, 29, 1702231; Research, 2019, 2019, 6398296; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 15927 )等方面取得了重要进展,阐述了其变色与变形机制及设计策略,并进一步探索了这类变色材料和变形材料在生化传感、功能化柔性电子、组织工程等领域应用前景( Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801027; Adv. Mater. Technol., 2017, 2, 1700120; J. Mater. Chem B, 2013, 1, 1535; J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 24748 )。   该系列研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然基金、广东省、深圳市等科技项目资助。   论文链接 图1 生物界中诸多生物的环境响应特性(如松果鳞片在不同湿度环境下的开合调节)启发了新型仿生传感和驱动材料的研发。
  • 《深圳先进院高性能导热复合材料研究获系列进展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
    • 编译者:冯瑞华
    • 发布时间:2018-05-17
    • ,中国科学院深圳先进技术研究院集成所先进材料中心孙蓉研究员团队在高性能导热复合材料研究中取得一系列进展。   现代电子器件逐渐向高度集成化和高功率化发展,如果器件内部产生的热量得不到有效地散发,将会引起热失效。为了保证电器器件的工作表现和寿命,有效的散热成为了制约电子产品发展的主要因素。解决散热问题依赖于热管理材料的发展。导热材料通常由导热填料和聚合物基体组成,溶液共混是制备含有随机分布填料的复合材料的常用方法。然而,由于内部填料之间缺少有效互连,这种复合材料的导热性能提高率通常很低。缺少填料组成的导热通路意味着声子将在填料 / 基体的界面处发生更多的散热,带来更大的界面热阻。另一方面,加入大量的填料( >60 wt%/vol% )虽然会得到较为理想的导热性能,但是却会严重影响复合材料的机械性能和加工性,难以实用。因此,对于导热复合材料,如何在一个较低的填料含量下实现高的导热系数仍是一大挑战。   团队导热小组 么依民、曾小亮等 通过对填料进行取向的结构设计,结合碳化硅纳米线的高导热系数和长径比,采用冰模板法制备了宏观取向的碳化硅线网络,并以此为填料制备了高导热复合材料。对于声子来说,穿过聚合物最便捷的方式是在聚合物内部建立填料组成的通道。因此,含有高导热线状填料的聚合物复合材料会显示出导热性能的巨大提高。该复合材料的导热提高效率是其他报道的导热绝缘复合材料效率的 3~8 倍,内部具有三维互连填料网络的高导热复合材料在热管理领域有很大的应用潜力。相关论文 Vertically Aligned and Interconnected SiC Nanowire Networks Leading to Significantly Enhanced Thermal Conductivity of Polymer Composites (具有面外取向碳化硅线网络的高导热复合材料)在线发表于期刊 ACS Applied Materials & Interfaces ( IF=7.504 )上( DOI: 10.1021/acsami.8b00328 )。   该小组在三维氮化硼 - 石墨烯导热网络的构建方面也取得了研究进展。前期的研究者为了使得三维填料骨架有一定的机械强度,在三维骨架的制备过程中通常要加入粘结剂。然而,粘结剂与填料之间的声子谱不匹配会弱化填料骨架本身的传热,因此含有三维填料骨架的聚合物基复合材料的导热性能往往也不理想。项目团队以声子传输性质相近的氮化硼和石墨烯为组装单元,构建了了取向的声子导热网络。复合材料的面外导热系数达到了 5.05 Wm -1 K -1 ,高于其他报道的氮化硼基复合材料的导热数值。相关论文 Construction of Three-dimensional Skeleton for Polymer Composites Achieving a High Thermal Conductivity (构建含有三维导热网络的高性能复合材料)在线发表于期刊 Small ( IF=8.643 )上( DOI: 10.1002/smll.201704044 )。   该小组还提出了一种新颖的材料成型方法。受限于成本与生产设备等因素,真空辅助抽滤技术和冰模板法自组装技术难以实现产业化,无法为我国电子材料产业做出贡献。因此,曾小亮课题组探索并发明了一种简易、快速以及宏量制备导热填料的方法。通过将含有填料的水系分散液直接滴入液氮、结合冷冻干燥以及简易的自动推进装置,可以成功构筑三维的气凝胶球状填料。这种球状填料具有大的孔隙率和比表面积,直接参与到导热网络的构建当中,可以有效地提高复合材料的导热性能,在自动推进装置的辅助下可以实现实验室规模的小批量生产。此外,这种特殊的微观结构在吸附及能源领域也表现出巨大的应用潜力。相关论文 Liquid nitrogen driven assembly of nanomaterials into spongy millispheres for various applications (液氮驱动制备多功能三维气凝胶球)在线发表于期刊 Journal of Materials Chemistry A ( IF=8.867 )上( DOI: 10.1039/C8TA00310F )。   以上研究该项研究得到科技部重点研发专项( 2017YFB0406000 )、广东省创新科研团队( 2011D052 )、广东省 重点实验室( 2014B030301014 ) 和深圳市科技计划项目等项目的资助。