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人工微游泳的自适应运动:该架构能够进行大的非线性变形,从而将自主权引入工程化的小型设备中,合亚嗒资讯网,heyada.com
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人工微游泳的自适应运动:该架构能够进行大的非线性变形,从而将自主权引入工程化的小型设备中
2020年11月19日    阅读量:579    新闻来源:合亚嗒资讯网 heyada.com  |  投稿

细菌通过响应于局部变化的物理和化学条件而利用力学表现出显着的可塑性。顺从的结构通常会帮助出租车的行为在复杂而结构化的环境中导航。


受生物启发的微生物机制包含合理设计的架构,该架构能够进行大的非线性变形,从而将自主权引入工程化的小型设备中中国机械网okmao.com


人工微游泳的自适应运动:该架构能够进行大的非线性变形,从而将自主权引入工程化的小型设备中 合亚嗒资讯网,heyada.com


在最近的一项研究中,HW Huang及其机械工程,应用数学和理论物理系的同事分析了低雷诺数下流体动力和局部流变对游泳的影响。在工作中,他们确定了在运动中使用弹性-流体动力耦合技术开发一套机械设备的挑战性和收益,这些机械设备可以制造具有自律性的不受束缚的微型机器人。


在没有板载传感器的情况下,在自适应运动过程中,科学家们能够证明人造微游泳者的结构和磁性与流体动力学特性之间的耦合。结果现已发表在《科学进展》上。


微生物包含多种分子运动的机制,可以有效地导航复杂的环境和生态位。在细菌中,游动是由鞭毛,细胞体和血流产生的阻力之间的机械相互作用引起的。雷诺数低时的粘滞力会引起流体阻力,而阻力又取决于运动物体的形状。


为了优化其运动能力,细菌可以在其生命周期中采用其他形状和大小。除了改变身体形状,细菌还可以使用推进系统在复杂环境中进行高级运动。例如,通过弯曲钩形弯月杆菌可以增强运动能力,而溶藻弧菌由于鞭毛屈曲的不稳定性,在攀登营养梯度中可以胜过多鞭毛大肠杆菌。此外,腐臭希瓦氏菌可以通过鞭毛丝中的多态性转变逃脱物理陷阱。

 

研究人员通过生物启发式微工程学开发的微观人工游泳器,可通过体液,穿过生物屏障并进入疾病的偏远地区,从而可能彻底改变靶向疗法。


在该领域的开拓性工作已经证明了模仿原核或真核鞭毛构建具有不可逆运动的磁控微游泳器的可行性。


但是,与活细胞不同,这些机械设备无法感知其局部环??境或适应物理条件的变化。控制人造材料可以为构建可调节,持久且坚固的工程解决方案铺平道路,例如自主生物混合机器人设备。


在目前的工作中,Huong等。介绍一种基于材料制造的简单通用的方法来设计磁控软微机。


该概念基于从纳米复合水凝胶单层设计的3D可重构多体系统。


在同一研究小组以前的工作中,Huang等人。详细介绍了自折叠微机械的形式和磁化曲线,其中可以通过将磁性纳米颗粒(MNP)掺入图案化的水凝胶层中来独立编程结构。


在这项研究中,科学家提出了一套设计策略,以通过粘性,弹性,磁和渗透力之间的相互作用来自我调节运动和可操纵性。


证明了可重配置的车身可以根据周围的流体不断变形,从而可以通过收缩来移动,从而增强机车性能。他们表明,弹性流体动力耦合在变形和步态适应中可以使微型机器人在受阻,异质和动态的环境中导航。


身体计划对机动性的作用。螺旋式微游泳器表现出最佳的效果,因为它们不处理身体和尾巴的协调。


黄等。利用受启发的运动和折纸的一种折纸来设计软微型游泳器。顺应性的3-D微结构是由用MNP(磁性纳米颗粒)增强的热敏凝胶设计的。在制造过程中,科学家开始通过光刻法进行切割,并在聚合层水合后折叠。MNP沿厚度方向的不均匀分布允许形成具有明显不同溶胀率的两个不同的水凝胶层。


研究人员专注于三种微生物结构,包括新月形衣原体,幽门螺杆菌和伯氏疏螺旋体。细菌通常通过旋转从细胞体延伸的螺旋桨状鞭毛细丝来游泳。


如果机器的磁矩垂直于机器的长轴,则模仿运动的动作可使人造微游泳者运动。但是,这些结构通过将其长轴与外部磁场方向对齐而类似于罗盘针。为了克服这个限制,Huang等人改变了材料中先天MNP的平面外排列,同时保持了平面内粒子排列不变。


动态记录磁化曲线。磁性增强的纳米复合材料的方向不同于MNP排列的方向。在微型机器人的制造过程中,施加的磁场明显高于用于对齐粒子的磁场。图片来源:Science Advances,doi:10.1126 / sciadv.aau1532。

为了优化在不同粘度下的运动,微结构获得了不同的步态。为了系统地探索形态多样性的潜在优势,Huong等。


建造了具有不同人体计划的微游泳器,并在粘度不同的流体中启动了它们。科学家能够通过协调3D螺旋形的形态和磁化曲线来设计微游泳器。在所有实验中,雷诺数在10 -2到10 -4的范围内。表示在层流下游泳。


与其他原型相比,在具有与血液相同粘度的蔗糖溶液中,带有挠性平面尾部和管状主体的鞭毛微游泳器通过螺旋运动运动得更快。鞭毛微型游泳者从螺旋运动和开瓶器运动中受益,而螺旋微型游泳者进行开瓶器运动。


但是,在粘度增加的过程中,所有微游泳者的运动都会减少,但对于带平尾的带鞭毛微游泳者来说,下降幅度最大。在较高的粘度下,Huong等人观察到螺旋微游泳器是最快的,因为在这种情况下唯一相关的运动是开瓶器运动。


除了运动之外,调节运动的能力(可操纵性)在细菌检测和检测营养梯度方面也起着关键作用。科学家通过引起偏航角的偏转来测试人造微游泳者的可操纵性(旋转)。机动性强的微游泳器可以在控制信号发生很小变化的情况下迅速改变其运动方向。


在较强的摄动(45度偏航旋转)期间,身体和尾巴的几何形状在顺应性微游泳者的反应中都起着重要作用。从结构上讲,由于车身的磁化强度较高,因此车身对尾部之前的控制信号做出了响应。尾巴平坦的游泳者表现出更高的不稳定性敏感性,而螺旋尾巴由于较高的螺旋几何刚度而可以相对有助于稳定。


在轴向流量为2 ml / min的弯曲通道中的形状适应。观察到的变形是弹性的,游泳者在以2 ml / min的速率在外部施加的流量下通过拐角后完全恢复了形状。增加细丝的刚度可减少变形并导致通道阻塞。


科学家们准备了管状机器,以探索机体尺寸和粘度对可操纵性的综合影响。他们能够动态地重新磁化人体,从而提供一种根据需要调整运动性和可操纵性的方法。他们发现较小的机身尺寸通过降低旋转阻力和增加磁转矩而具有相对优势,而与粘度无关。


Huong和他的同事通过磁力,细丝柔韧性和粘性阻力之间的耦合确定了柔顺游泳者的推进效率。他们研究了弹性流体动力学特性,以响应粘度变化触发步态转变。科学家观察到微型机器人尾巴在较高的粘度和频率下盘绕。观察到的形态学转变或转变有助于开瓶器运动,从而增强了微型机器人的运动能力。


具有弹性尾巴的管状微泳者的步态适应。可以利用弹性流体力学特性来响应低和高粘度的变化触发步态转变。


基于运动和可操纵性的综合策略,研究中获得的数据表明,具有平尾的管状体更适合在低粘度下游泳。相比之下,螺旋形态在较高粘度下表现更好。Huong等。构造了一种可磁重配置的微扫描器,以根据外部条件在两种配置之间进行形状转换。尽管增加了粘性力,编程的微游泳器仍可改变形状,以保持持续的向前速度并增强可操纵性。


这样,仔细分析不同粘度下的游泳性能可为构建单个微型机器提供指导。为了解决微米/纳米尺度的导航问题,Huong等人。减少了要控制的元件数量,从而获得了速度,多功能性和成本的优势。可以通过高通量和可扩展的方法来制造微型机器人,以打开大门,以开发用于医疗和工业应用的一系列软微型机器人。


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