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奧地利林茨大學:高速微型軟體電磁機器人

2022-08-13 17:30:29

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來源·卡比獸papa一、研究背景:獵豹、兔子或蟑螂等自然生物將高速運動作為其主要生存策略之一來尋找食物或逃離捕食者。如果以每秒體長(BL)表示的相對速度,那么對

來源·卡比獸papa

一、研究背景:

獵豹、兔子或蟑螂等自然生物將高速運動作為其主要生存策略之一來尋找食物或逃離捕食者。如果以每秒體長(BL)表示的相對速度,那么對于某些螨蟲(Paratarsotomus macropalpis),其速度可高達323BL/s。人造機械中,基于大功率發動機(例如內燃機或電動機)可以使一級方程式賽車以50BL/s高速運動。由于傳統高性能電機和傳動系統的小型化困難,高速小型機器人(1mm


二、文章簡介:

針對上述問題,基于液態金屬與超彈橡膠材料,奧地利Martin Kaltenbrunner團隊開發了一系列高速、高可靠性的、多功能的小型軟電磁機器人(SEMR),能夠行走、跑步、跳躍、游泳、轉向,甚至運輸和釋放貨物。通過制造技術、機器人設計技術、理論與數值建模的多種技術手段的有機結合,提高了微型軟體機器人的性能。我們展示了毫米級的SEMR能以70BL/s的相對速度高速運動,比以前的軟體機器人快約17.5倍,比厘米級電磁機器人和大多數動物快(圖1b)。此外,相同的SEMR還能夠以4.8L/s的高相對速度游泳,這與其他水生機器人和動物相比也具有一定優勢。我們還嘗試制備了無系留SEMR并能以2.1BL/s的運動以及1.8BL/s的速度游泳。相關研究成果發表于Nature Communications上。

圖1. SEMR 的制造和性能。


三、研究內容:

1、軟體機器人制備

許多動物和大多數軟機器人利用其彎曲身體的膨脹/收縮來進行快速運動,我們也采取了相同的策略。我們設計了含有液態金屬線圈的彎曲彈性雙層膜作為軟體機器人的主體。我們對雙層膜的其中一層應用機械預拉伸以引起應變失配。SEMR中液態金屬線圈由自制的直接墨水書寫(DIW)3D打印機在預拉伸的薄膜上打印。隨后我們將橡膠溶液澆筑于液態金屬線圈之上并固化,這樣當雙層膜被釋放時,整個雙層膜結構由于應變失配而彎曲。為了得到雙層膜的曲率與所需厚度和預拉伸的關系,我們開展了數值有限元法(FEM)(圖2a)和理論研究并對設計及制造進行了較好地預測與指導。

圖2. 小型SEMR的設計和表征。

2.軟體機器人的振動測試與理論速度預測

為了預測軟體機器人的運動速度,我們構建了基于線性彎曲梁結構的機械振動的理論模型并預測了SEMR在不同載荷下動態性能。同時進行了一系列實驗以驗證該模型并進一步表征SEMR的幾何形狀和機械性能。結果表明理論預測與實驗總體一致,對于機器人的優化設計提供了指導。

3. 機器人腳設計與跑動速度驗證

眾所周知,爪子在獵豹的高速奔跑中起著重要作用。同樣,適當的腳設計對于SEMR的高速運行至關重要。我們介紹了圖1a中展示的兩種腳設計策略,它們均源于SEMR的受力分析。在第一種方法中,機器人腳由薄的鋸齒狀聚合物薄膜制成;這種機器人主要在3D打印的不對稱結構的基板上運行(圖1a)。在不同頻率和各種電流幅度下的測試(圖3i)表明,在共振頻率下達到了最大機器人速度。由于自由和夾緊機器人的邊界條件不同,圖3i 中的共振頻率(45Hz)大于振動測試中的共振頻率(圖2e中~37 Hz)。測得的最高運行速度為630mm/s,或 70BL/s(補充視頻3,見文末)。據我們所知,該速度是以前的軟體機器人的17.5倍(圖1b)。在第二種設計中,不對稱完全是由于機器人本身的 L 形腳(圖3f-h,j)所導致的從而此類SEMR在各種平面非結構化基板上運行(圖3k)。圖3h顯示了補充視頻3中的代表幀,其中SEMRTL在玻璃板上運行。圖3h上面板(0.3A,40Hz)演示受控運行。經過短暫的加速階段后,速度穩定在165mm/s的恒定值,對應于18.3BL/s。底部序列電流更高,更接近機械共振(0.4A,30Hz),從而運動速度更快(35BL/s)。

圖3. SEMR的運行機制和性能。

4. 多功能性展示

除了高速移動外,許多動物還有多種生存策略,包括對受撞擊或墜落后的強恢復能力、躲避障礙的能力、隨意穿越陸地/水生邊界的能力,以及運輸獵物和/或后代的能力。其中一些功能啟發機器人技術。在耐久性測試中,我們的SEMR在行走過程中被強力(1764倍體重)壓平(圖4a,補充視頻5)。機器人在撞擊前后的表現保持一致。我們甚至用拉伸試驗機壓縮了SEMR TL的主體,發現密封的液態金屬可以承受高達139 atm的壓縮應力。

圖4.多功能的SEMR:跳躍、游泳、導航和自主。

然而,僅有彈性是不夠的。對于大多數小型機器人來說,如何跨過障礙仍然具有挑戰性。實驗證明了SEMR TST可以通過高達4 mm(補充視頻6)的障礙物。憑借SEMR TST自身重量輕和相對較低的平均密度,借助于表面張力和浮力,其可以漂浮在水面上(圖4c)。且機器人能以43 mm/s或4.8 BL/s的最大速度沿水面游泳(圖4d,e,補充視頻7),與其他游泳機器人相比具有優勢。機器人技術中的復雜任務通常涉及多個自由度,由于所需的控制機制,這些自由度通常難以在小型軟機器人中實現。由于SEMR的3D打印液態金屬線圈的設計自由度高,因此我們設計并制造了包含兩個單獨線圈(圖4f)的雙模塊SEMRT STS(系繩鋸齒形腳,轉向)。兩個線圈電流的獨立控制允許機器人以160°/s的角速度直線行走、順時針或逆時針轉動(圖4f,補充視頻8)。雙模塊SEMR的進一步結構重新設計,包括重新配置第二線圈的位置成為運輸SEMR TRC。通過單獨驅動兩個模塊,一個用于前進,另一個用于受控釋放貨物,可以自動重新定位物體(圖4g,補充視頻9)。

5. 自帶電源軟體機器人原型設計

相對線纜外接供電,自供電/不受束縛的機器人具有更大的運行自主性,并且可以更容易地對周圍環境做出反應或執行通用任務。我們通過用定制的電池供電印刷電路板(PCB)(材料和方法)替換運輸SEMR TRC的貨物操縱執行器,為無束縛的SEMR提供了一種簡單的原型設計解決方案并設計了三種機器人。SEMR UL的主體長度約為9毫米,SEMR UR1和 UR2的主體長度約為20毫米。SEMR UL可以1.2 BL/s的速度在金屬表面上運行(圖4i)。SEMR UR1可以在3D打印基板上以2.1 BL/s的速度運行(圖4j),并在水中以1.25BL/s的速度游泳。電池的高內阻和中小型PCB提供的純正方波電流限制了SEMR UR1的運行性能。因此,我們開發了一個更大的控制器,包括能夠交流方波電流的PCB和電池。具有大PCB和電池的SEMR UR2具備以1.8 BL/s的最大游泳速度。


四、結論與展望:

本文展示了多種小型軟體電磁機器人SEMR,具有超高速(70BL/s)、高魯棒性、多功能性。未來,在更強的磁場下,例如在MRI機器的內部,SEMR的速度、功率輸出和效率還有很大的提升空間。其工作原理以及制備方法使其非常適合用于開發電控微型智能平臺,例如文中展示的無系留SEMR。3D直接墨水書寫技術的運用使得SEMR的設計與制造具備更高的自由度,可以用于未來高性能多功能微型機器人的開發,并用于靈活的微細加工、靶向藥物輸送和非侵入性手術等等。


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