Ultrarrápido pequeño

Sep 05, 2023

Nature Communications volumen 13, Número de artículo: 4456 (2022) Citar este artículo

13k Accesos

12 citas

183 Altmetric

Detalles de métricas

La locomoción de alta velocidad es una estrategia de supervivencia esencial para los animales, lo que permite poblar entornos hostiles e impredecibles. Los robots blandos bioinspirados se benefician igualmente del movimiento versátil y ultrarrápido, pero requieren mecanismos de conducción y diseños de dispositivos adecuados. Aquí, presentamos una clase de robots electromagnéticos blandos a pequeña escala hechos de bicapas elastoméricas curvas, impulsados ​​por fuerzas de Lorentz que actúan sobre canales de metal líquido impresos incrustados que transportan corrientes alternas con voltajes de conducción de varios voltios en un campo magnético estático. Su rendimiento resonante dinámico se investiga experimental y teóricamente. Estos robots robustos y versátiles pueden caminar, correr, nadar, saltar, conducir y transportar carga. Sus versiones atadas alcanzan velocidades de carrera ultra altas de 70 BL/s (longitud del cuerpo por segundo) en sustratos corrugados 3D y 35 BL/s en sustratos planos arbitrarios, mientras que su velocidad máxima de natación es de 4,8 BL/s en el agua. Además, las versiones prototipo sin ataduras corren y nadan a una velocidad máxima de 2,1 BL/s y 1,8 BL/s, respectivamente.

Los organismos naturales, como los guepardos, los conejos o las cucarachas, utilizan la locomoción de alta velocidad como una de sus principales estrategias de supervivencia para buscar comida o huir de los depredadores. La velocidad relativa en términos de longitudes corporales (BL) por segundo cuantifica la velocidad de diferentes organismos en un amplio espectro de tamaños corporales y puede llegar a 323 BL/s para el ácaro Paratarsotomus macropalpis1. La tecnología logra una locomoción de alta velocidad principalmente a través de máquinas a gran escala (BL > 100 mm) y motores de alta potencia (como motores de combustión o eléctricos), lo que da como resultado autos de Fórmula Uno (50 BL/s) o robots cuadrúpedos2 que funcionan a 9.1 BL/seg. Sin embargo, el diseño de robots de pequeña escala de alta velocidad (1 mm < BL ≤ 100 mm) es un desafío debido a las dificultades en la miniaturización de los motores y sistemas de transmisión tradicionales de alto rendimiento. Las estructuras simples hechas de materiales inteligentes brindan posibilidades alternativas para construir robots miniaturizados. El titanato de zirconato de plomo (PZT)3 y las aleaciones con memoria de forma (SMA)4 son dos materiales inteligentes rígidos representativos implementados en robots de tamaño milimétrico, pero presentan carreras de actuación demasiado pequeñas o frecuencias bajas para permitir una locomoción de alta velocidad. Además, la robótica emergente y la interacción entre humanos y robots requieren diseños suaves, seguros, rápidos y robustos capaces de operar en entornos hostiles y dinámicos. Un ejemplo extremo es el estómago humano, sometido a compresión mecánica durante la digestión y que contiene fluidos ácidos. La prevención o el tratamiento de enfermedades relacionadas con el tracto gastrointestinal promueve el desarrollo de mini-robots blandos para la administración de fármacos o la cirugía no invasiva5.

Para hacer frente a estos problemas, han surgido materiales suaves e inteligentes para robótica, como fibras poliméricas termosensibles6, geles poliméricos sensibles al pH7, polímeros de cristal líquido sensibles a la luz8 y materiales sensibles a campos eléctricos/magnéticos9,10,11,12,13. Sin embargo, las fibras poliméricas sensibles al calor y los geles poliméricos sensibles al pH se basan en la difusión lenta de iones o calor y, por lo tanto, no son lo suficientemente rápidos para la locomoción de alta velocidad en los robots. Los polímeros de cristal líquido sensibles a la luz8 pueden actuar a frecuencias superiores a 10 Hz, pero la necesidad de iluminación modulada y entornos transparentes restringe sus posibilidades de aplicación14. Los elastómeros sensibles a campos eléctricos/magnéticos, como los elastómeros dieléctricos (DE) y los elastómeros magnéticos blandos (SME), suelen presentar tiempos de respuesta rápidos, con vibraciones en el rango de kHz9,10,11,12. Los inconvenientes de los DE son sus altos voltajes de activación (en el rango de kV), lo que plantea posibles problemas de seguridad e impide la miniaturización. Los robots SME son seguros, tienen una respuesta rápida y son fáciles de miniaturizar, pero tienen dificultades con los diseños de robots de múltiples módulos o enjambres, ya que requieren campos magnéticos globales ajustables dinámicamente14,15,16. Los actuadores electromagnéticos blandos (SEMA) que comprenden bobinas de metal líquido (LM) incrustadas en sustratos elastoméricos tienen una mejor capacidad de control local y presentan un alto rendimiento en un fuerte campo magnético estático, como existe, por ejemplo, en una máquina de imágenes por resonancia magnética (IRM)9. Los avances en la impresión 3D de LM permiten la miniaturización de los SEMA al menos a una escala milimétrica, lo que abre rutas hacia la locomoción de alta velocidad en robots blandos del tamaño de un micrómetro a un centímetro17.

Aquí desarrollamos una serie de robots electromagnéticos suaves (SEMR) ultrarrápidos, robustos y versátiles a pequeña escala capaces de caminar, correr, saltar, nadar, conducir e incluso transportar y liberar carga. Esto se logra a través de avances en la fabricación, el diseño y el modelado de robots, que en conjunto aumentan el rendimiento del robot e incluso permiten el funcionamiento sin ataduras cuando están equipados con un controlador autoalimentado miniaturizado. La fabricación (Fig. 1a) utiliza la impresión de bobinas LM en sustratos elastoméricos, lo que permite el control selectivo simultáneo de diferentes secciones del cuerpo del robot, lo que permite la dirección y el transporte de carga. Una bicapa elastomérica con discordancia de tensión da como resultado un cuerpo de robot curvo capaz de caminar cuando se somete a una corriente variable en el tiempo en un campo magnético estático y un diseño de pies adecuado. Presentamos dos tipos de pies SEMR: pies en forma de diente de sierra para sustratos impresos en 3D asimétricos y pies en forma de L para sustratos planos. Ambos se muestran en la Fig. 1a con SEMR TST (pies atados en forma de diente de sierra) y SEMR TL (pies atados en forma de L). La locomoción de los SEMR se vuelve ultrarrápida cerca de la frecuencia de resonancia mecánica, como se demuestra en los experimentos y está respaldado por modelos analíticos y numéricos. Demostramos que los SEMR funcionan a una velocidad relativa ultrarrápida de 70 BL/s, unas 17,5 veces más rápido que los robots de cuerpo blando anteriores, más rápido que los robots electromagnéticos de escala centimétrica y que la mayoría de los animales (Fig. 1b). Además, el mismo SEMR también puede nadar a una velocidad relativa alta de 4,8 BL/s, lo que se compara favorablemente con otros robots y animales acuáticos (Figura complementaria 1, Tabla complementaria 2).

un esquema del proceso de fabricación. Las bobinas LM están impresas en una película elastomérica preestirada. Luego, la solución de precursor de elastómero se aplica sobre las bobinas LM utilizando un recubrimiento de barra, lo que da como resultado una estructura bicapa de la que se corta el cuerpo del robot. Por último, se acoplan pies en forma de diente de sierra o en forma de L. Para el accionamiento, los robots se conectan a la alimentación externa con electrodos. b Velocidades máximas de carrera de mamíferos, artrópodos, robots blandos y robots representativos en función de la longitud del cuerpo. Las áreas sombreadas abarcan los rangos para diferentes categorías, como lo indican los símbolos en la leyenda, y para nuestros SEMR, que están etiquetados con estrellas. La velocidad relativa máxima de nuestros SEMR es de 70 BL/s, casi 17,5 veces mayor que la de los robots de cuerpo blando anteriores, más rápida que los robots electromagnéticos de escala centimétrica y que la mayoría de los animales rápidos. Dos estrellas con la velocidad más alta corresponden a SEMR atados y dos más lentas a robots no atados. Los detalles se pueden encontrar en la Tabla complementaria 1.

El diseño versátil de los canales LM dentro de los SEMR lo proporciona una impresora 3D de escritura de tinta directa (DIW)18 (Fig. 2 complementaria) capaz de producir cables LM con una resolución de hasta 100 µm (Fig. 3 complementaria). Para conectar los canales LM a la alimentación externa, insertamos electrodos en el cuerpo SEMA/SEMR y los sellamos con elastómero (Fig. 4 complementaria). La robustez y la funcionalidad de nuestro esquema de fabricación se investigaron en pruebas de flexión con dos SEMA a pequeña escala con un tamaño de 9 mm × 9 mm × 0,8 mm (Fig. 5 complementaria). Aquí, SEMA 1 pesa 96 mg, mientras que SEMA 2 es aún más liviano debido a un recorte en el centro. Ambos actuadores son impulsados ​​por un controlador personalizado de modulación de ancho de pulso (PWM) (Fig. 6 complementaria) y se colocan encima de un imán de placa permanente (campo magnético de alrededor de 0,3 T en su superficie, Fig. 7a complementaria). Mientras que el desplazamiento horizontal de su punta es de 4,5 mm para SEMA 1 cuando se acciona con una corriente constante de 1 A, el diseño más liviano de SEMA 2 permite un mayor desplazamiento de hasta 6,4 mm debido a una disminución en la rigidez a la flexión (Fig. 7b–d). Las pruebas dinámicas con los SEMA impulsados ​​por una corriente de onda cuadrada (Fig. 7e complementaria, Película complementaria 1) arrojan un tramo horizontal alto de más de 6,3 mm con una corriente relativamente pequeña (0,1 A, 8 Hz) para SEMA 2 con el corte geometría (Fig. 7f complementaria). Caracterizamos el aumento de temperatura de SEMA cuando se opera en el aire (Fig. 8a complementaria), ya que esto es crucial para las altas corrientes de conducción. Encontramos un aumento de temperatura de 1,3 °C, 10,9 °C y 27,5 °C para corrientes de 0,1 A, 0,3 A y 0,5 A en pruebas de larga duración (>1000 s). Los actuadores siguen siendo completamente funcionales y este calentamiento Joule se puede reducir aún más con un mejor diseño de la bobina, como aumentar el número de vueltas de la bobina, como se explica en el Texto complementario.

El diseño SEMR se basa en el principio de un SEMA bidimensional, pero con modificaciones esenciales que los dotan de un mecanismo de locomoción de alta velocidad. Los SEMA planos que se muestran en la figura complementaria 9a solo son capaces de pequeñas deformaciones en el plano para geometrías donde la bobina LM está orientada perpendicular a la dirección del campo magnético. En estas condiciones, el robot tiene dificultades para deformarse, y mucho menos para caminar. Teniendo en cuenta que muchos animales y la mayoría de los robots blandos utilizan la expansión/contracción de su cuerpo curvo8,12,19,20 para una locomoción rápida, planteamos la hipótesis de que las películas bicapa elastoméricas curvas (Fig. 9b complementaria) con canales LM integrados permitirán una movilidad suave de alta velocidad. actuadores electromagnéticos. Para esto, las deformaciones no coincidentes en la película bicapa son esenciales. Las estrategias típicas incluyen la utilización de materiales sensibles al pH, la temperatura o la humedad. Dado el calentamiento Joule inherente de los SEMA y que su entorno de trabajo típico es el aire ambiente, llegamos a la conclusión de que, sin embargo, esas clases de materiales pueden ser subóptimas para lograr la curvatura en los SEMA. En su lugar, aplicamos un estiramiento previo mecánico a una de las capas de la película bicapa para inducir el desajuste de la tensión. Este método encuentra aplicación en la electrónica extensible y se puede reducir a escala micrométrica21,22. En la práctica, fabricamos bicapas uniendo una capa preestirada (arriba) a una capa no deformada (abajo), de modo que cuando se libera la película bicapa, se enrolla (Fig. 10a complementaria). Para guiar la fabricación y averiguar los espesores y preestiramientos deseados para las películas bicapa, se ha utilizado un esquema de método numérico de elementos finitos (FEM) (Fig. 2a, Fig. 10b complementaria) y un modelo teórico (Fig. 10c, d complementaria) desarrollado.

a Forma simulada de la película bicapa con diferentes preestiramientos: 1.0, 1.1, 1.3 y 1.5. b Radio simulado y calculado de la película bicapa en función del preestirado aplicado. c Imágenes superpuestas de las formas SEMR experimentales y simuladas (vista lateral) con un estiramiento previo de 1,3. d Instantáneas de las vibraciones SEMR para una corriente de onda cuadrada de 0,2 A con diferentes frecuencias (Película complementaria 2). Los marcos de 37 Hz y 12 Hz corresponden al principal y al segundo máximo espectral más grande, que se puede ver en e. e Desplazamiento horizontal del pie izquierdo del robot sujeto a una corriente de onda cuadrada de 0,2 A a diferentes frecuencias (Película complementaria 2). El robot se monta en la parte superior de un imán y se sujeta en el medio con cables de cobre. El recuadro ilustra tres desplazamientos (Izquierda, Derecha y Completa). Corresponden al desplazamiento máximo desde la posición de referencia "0" (sin corriente) hacia la izquierda (extensión), derecha (contracción) y su suma, respectivamente. La curva superior (Full) muestra el rango completo del desplazamiento del pie. f Los fotogramas de la prueba de vibración para corrientes de onda cuadrada de 0,5 A a frecuencias de 12 Hz y 37 Hz (Película complementaria 2) ilustran el rango de movimiento lejos y cerca de la frecuencia de resonancia. g Ilustración que muestra un guepardo corriendo. h Instantáneas del video de la cámara de alta velocidad (Película complementaria 2), que muestran las etapas del movimiento del robot impulsado por una corriente de onda cuadrada (0,5 A, 37 Hz).

El radio teórico de la película bicapa se aproxima por \(r={({t}_{10}+{t}_{20})}^{3}/(6{\varepsilon }_{10}{t }_{10}{t}_{20})\), donde \({t}_{10}\) y \({t}_{20}\) son los espesores de la capa superior e inferior y \({\varepsilon }_{10}\) es la predeformación de la capa superior antes de su unión a la capa inferior (consulte el Texto complementario para obtener más detalles). La relación entre la preestiramiento \({\varepsilon }_{10}\) y el preestiramiento \({\lambda }_{{{{{\rm{pre}}}}}}}\) es \({ \lambda }_{{{{{{\rm{pre}}}}}}}=1+{\varepsilon }_{10}\). Si \({t}_{10}={t}_{20}\), el radio se simplifica a \(r=4{t}_{10}/(3{\varepsilon }_{10})\ ). En la Fig. 10e complementaria, dibujamos películas bicapa curvas con estiramientos previos que varían de 1.01 a 1.7. El modelo teórico concuerda con las simulaciones numéricas para pequeños preestiramientos. (Figura 2b). Además, realizamos experimentos para comparar tres tipos de estiramientos previos (equibiaxial, de corte puro y uniaxial) y encontramos una buena concordancia con las simulaciones numéricas (Fig. 11 complementaria). El estiramiento equibiaxial introduce curvatura también en la segunda dirección, un efecto no deseado para este tipo de SEMR, porque disminuye la fuerza de Lorentz efectiva en la dirección de la marcha y complica el movimiento, el control y la fabricación. De estos tipos de preestiramiento, el uniaxial resultó ser el más práctico, aunque los otros dos producen mayor curvatura en el mismo preestiramiento. Por lo tanto, utilizamos el estiramiento uniaxial para fabricar SEMR curvos con la ayuda de la teoría y la simulación. Se utiliza un marco impreso en 3D para controlar el estiramiento previo de una película rectangular (Fig. 13a, b complementaria), mientras que un pequeño cuboide sirve como sustrato de soporte plano debajo de la película estirada durante el proceso de impresión 3D (Fig. 13c-e complementaria) . La fabricación de SEMR se finaliza colocando dos pies de robot (Fig. 1a). El SEMR fabricado tiene la misma forma que el calculado (Fig. 2c).

La imagen física de la locomoción SEMR y el rendimiento dinámico se describen dentro del modelo teórico basado en vibraciones mecánicas. Se realizó una serie de experimentos para validar este modelo y caracterizar aún más la geometría (Fig. 14a-c complementaria) y las propiedades mecánicas del SEMR. No se considera la gravedad, ya que su influencia en las vibraciones es menor (Fig. 14d complementaria). La deformación del SEMR sujeto a cargas estáticas se ilustra en la figura complementaria 15. Al aplicar corrientes de onda cuadrada o sinusoidales al SEMR suspendido sobre el imán, estudiamos la respuesta de frecuencia de la deformación dinámica resultante que concuerda bien con las predicciones teóricas. (Texto Suplementario). La desviación más grande para una corriente de onda cuadrada ocurre a una frecuencia resonante de 37 Hz (Fig. 2d-f, Película complementaria 2). Esta frecuencia viene dada por la Ec. (21) en el Texto complementario, y su influencia en el movimiento del robot se analiza en la sección 2.10 "Aproximación y velocidad del oscilador". Una corriente más grande (0,5 A) corresponde a una deformación más grande (Fig. 2f, Película complementaria 2) hasta que el cuerpo del SEMR se estira casi plano en su máxima oscilación. Tanto los experimentos (Figuras complementarias 16, 17) como la teoría (Texto complementario) indican que la excitación de onda cuadrada es beneficiosa en varios aspectos, especialmente a bajas frecuencias. En comparación con las corrientes sinusoidales con la misma amplitud, son posibles deformaciones mayores para una corriente de onda cuadrada; la fuerza de Lorentz alcanza su máximo más rápido; se proporcionan aceleraciones significativamente más altas, ambos factores sacan al robot de las ranuras en sustratos estructurados y superan la fricción estática, iniciando el movimiento (Texto complementario). La implementación electrónica de la corriente de onda cuadrada también es más fácil. Los SEMR vibrantes exhiben una dinámica similar a la de un guepardo corriendo (Fig. 2g, h), lo que inspiró el desarrollo del robot ultrarrápido. En condiciones idealizadas, la teoría predice velocidades de carrera extremadamente altas (Texto complementario); la velocidad medida es menor debido al deslizamiento de los pies sobre el sustrato, las desviaciones del movimiento rectilíneo, la repulsión del suelo en antifase en el régimen de vuelo estacionario y otros efectos perjudiciales.

Es bien sabido que las patas juegan un papel importante en la carrera de alta velocidad de los guepardos. Del mismo modo, un diseño adecuado de los pies es crucial para la alta velocidad de funcionamiento del SEMR. Presentamos dos estrategias para el diseño de pies demostradas en la Fig. 1a, que se basan en el análisis mecánico del SEMR. La figura 3a muestra las fuerzas de Lorentz que actúan sobre diferentes partes de las bobinas de metal líquido, la mayoría de las cuales se cancelan. El diagrama de cuerpo libre (Fig. 3b, vista lateral) también incluye fuerzas normales de apoyo (\({F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \({F} _{{{{{\rm{s2}}}}}}\)) y fuerzas de fricción (\({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f \!{F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}= f\!{F}_{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) donde \(f\) es el coeficiente de fricción seca (\(0.1 \, < \, f \ , < \, 0.5\) en casos típicos). La masa del robot es de aproximadamente \(m=180\,{{{{{\rm{mg}}}}}}\), lo que resulta en una fuerza gravitacional de \(G=mg=1.8\,{{{ {{\rm{mN}}}}}}\), asumiendo la aceleración debida a la gravedad \(g\,\approx\, 10\,{{{{{{\rm{m}}}}}}/ {{{{{\rm{s}}}}}}}^{2}\). Las fuerzas de Lorentz relevantes que actúan sobre las patas del robot son horizontales; a una corriente \(I=0.5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\) y una intensidad de campo magnético \(B=0.3\,{{{{{\rm{T}} }}}}\) se trata de \({F}_{1{{{{{\rm{L}}}}}}}={F}_{2{{{{{\rm{R} }}}}}}=BIL=2.7\,{{{{{\rm{mN}}}}}}\), donde \(L=(5+6+7)\,{{{{{\ rm{mm}}}}}}=18\,{{{{{\rm{mm}}}}}}\) es la longitud total de los hilos conductores (Fig. 3a, más detalles en el Texto Suplementario, sección 1.3, "Cálculo de la fuerza de Lorentz"). Las fuerzas normales de reacción y fricción estática se distribuyen aproximadamente por igual entre ambos pies: \({F}_{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{ {{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, fG/2\). Para corrientes grandes, por ejemplo, \(I=0.5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{f}}} }}}1} \, < \, {F}_{{{{{\rm{1L}}}}}}},\,{F}_{{{{{{\rm{f}} }}}}2} \, < \, {F}_{2{{{{{\rm{R}}}}}}}\) y el robot no se puede mover correctamente debido al deslizamiento del pie15. Además, la simetría de las bobinas y el cuerpo SEMR induce solo vibración alrededor de su centro de masa sin su desplazamiento horizontal cuando se somete a una corriente oscilatoria. Por esta razón, la mayoría de los robots blandos usan ganchos19,23, películas delgadas12 o compuestos de plástico/elastómero24 como pies para evitar resbalones, romper la simetría de la fuerza de fricción y permitir la locomoción de traslación. La fabricación de ganchos robustos para nuestro SEMR a pequeña escala es un desafío y el movimiento unidireccional requiere cierta asimetría, que se realiza de dos maneras. En el primer enfoque, los pies del robot están hechos de películas delgadas de polímero en forma de diente de sierra; dichos robots funcionan sobre el sustrato estructurado asimétricamente (Fig. 1a), que proporciona fricción unidireccional (Fig. 3c-e, i). En el segundo diseño, la asimetría se debe únicamente a los pies en forma de L del propio robot (Fig. 3f–h, j). Por lo tanto, dichos SEMR se ejecutan en una amplia variedad de sustratos planos no estructurados (Fig. 3k).

a Fuerzas de Lorentz que actúan sobre las diversas partes de las bobinas de metal líquido en el campo magnético externo (\(\it B\)), vista superior; la corriente (\(\it I\)) se indica con las flechas en sentido contrario a las agujas del reloj. Los pares de fuerzas (\(\it {F}_{{{{{\rm{1A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{1B }}}}}}}\)) y (\(\it {F}_{{{{{\rm{2A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{ {{{{\rm{2B}}}}}}}\)) son perpendiculares a la dirección de flexión y se cancelan. El par central (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{2R }}}}}}}\)) también cancela en el balance general. b Diagrama de cuerpo libre de SEMR curvo con las fuerzas de Lorentz de carga relevantes restantes (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1R}}}}}}}\), \(\it {F }_{{{{{{\rm{2L}}}}}}}\)), vista lateral. La fuerza de gravedad (\(\it G\)) se aplica al centro de masa (COM); las fuerzas normales de apoyo (\(\it {F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{ s2}}}}}}}\)) y fuerzas de fricción (\(\it {F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}\), \(\it {F} _{{{{{\rm{f2}}}}}}\)) también se indican. c Mecanismo de funcionamiento del SEMR TST en un sustrato estructurado asimétricamente. d Etapas clave para el SEMR TST ambulante impulsado por una corriente de onda cuadrada (0,3 A, 1 Hz). e Instantáneas del SEMR TSTS en funcionamiento impulsado por corrientes de onda cuadrada (0,3 A, 55 Hz y 0,5 A, 45 Hz), como se indica. El tiempo entre las instantáneas es de 0,05 s. La secuencia inferior corresponde a la velocidad máxima de 70 BL/s. f Mecanismo de marcha del SEMR con patas en forma de L. g Etapas clave para el SEMR TST ambulante impulsado por una corriente de onda cuadrada (0,2 A, 1 Hz). h Instantáneas del SEMR TL en funcionamiento impulsado por corrientes de onda cuadrada (0,3 A, 40 Hz y 0,4 A, 30 Hz), como se indica. El tiempo entre las instantáneas es de 0,05 s. La secuencia inferior corresponde a la velocidad máxima de 35 BL/s. i Velocidad máxima del SEMR TST impulsado por corrientes de onda cuadrada en función de la frecuencia a diferentes amplitudes (0,3 A, 0,4 A y 0,5 A). j Velocidad máxima del SEMR TL impulsado por corrientes de onda cuadrada en función de la frecuencia a diferentes amplitudes (0,2 A, 0,3 A y 0,4 A). k Velocidad máxima de funcionamiento de SEMR TL en diferentes sustratos, incluidos varios papeles de lija (Sp-p80, p180 y p400), elastómero (PDMS), papel, madera, metal, plástico y vidrio (Película complementaria 3). Todas las barras de error representan la desviación estándar de cuatro mediciones. Todas las instantáneas son de diferentes partes de la Película complementaria 3.

La Figura 3c ilustra el mecanismo de trabajo del SEMR TST. Los pies están orientados en la misma dirección en ambas piernas para garantizar un movimiento unidireccional. Sin embargo, estos pies aún resbalan sobre sustratos planos, un problema que se puede solucionar con materiales o diseños alternativos25. El deslizamiento se reduce en sustratos rugosos o corrugados, que imitamos utilizando sustratos en forma de diente de sierra (Fig. 3c, Fig. 18 complementaria), para estudiar el rendimiento de nuestros robots en condiciones controladas. Al igual que las garras no retráctiles de un guepardo, el enclavamiento mecánico entre los pies del robot y dichos sustratos da como resultado una fricción altamente asimétrica, lo que permite una locomoción ultrarrápida. Una corriente oscilante (sinusoidal o de onda cuadrada) hace que el robot se contraiga y expanda periódicamente su cuerpo (Fig. 3c, Fig. 19 complementaria). Cuando el robot se expande, el pie delantero se mueve hacia adelante, mientras que el pie trasero queda fijo debido al enclavamiento mecánico. Luego, el robot se contrae, ahora con el pie delantero fijo, mientras que el pie trasero tira hacia adelante. Estas etapas se muestran esquemáticamente en la Fig. 3c y se pueden ver en la Fig. 3d o en la Película complementaria 3 de los experimentos en los que el SEMR TST es impulsado por una corriente de onda cuadrada (0,3 A, 1 Hz). Fabricamos sustratos impresos en 3D con diferentes perfiles de diente de sierra (altura del diente de sierra de a = 0,6 mm a 1 mm) y comparamos su rendimiento. El de mejor rendimiento (a = 0,8 mm, figuras complementarias 18 y 20a) se utilizó en los experimentos posteriores.

Para lograr una locomoción más rápida, una corriente de conducción óptima es fundamental. Con una corriente de onda cuadrada de baja frecuencia, el robot solo se mueve durante decenas de milisegundos después de un cambio en la dirección de la corriente y conserva su forma incluso cuando la corriente no es cero (Fig. 3d, Película complementaria 3). Por lo tanto, no sorprende que la velocidad del robot aumente para una frecuencia más alta de la corriente de conducción. Las pruebas a diferentes frecuencias y varias amplitudes de corriente (Fig. 3i, Fig. 20b complementaria) revelan que la velocidad máxima del robot se alcanza a una frecuencia resonante \({f}_{0}\,\approx\, 45\,{{ {{{\rm{Hz}}}}}}\). Cuando la frecuencia de la corriente impulsora \({f}_{I}\) se desafina de \({f}_{0}\), la velocidad del robot disminuye. La frecuencia resonante en la Fig. 3i (45 Hz) es mayor que en la prueba de vibración (~37 Hz en la Fig. 2e) debido a las diferentes condiciones de contorno para el robot libre y sujeto (en excelente acuerdo con nuestra teoría en el Texto Suplementario ). La velocidad de carrera más alta medida es de 630 mm/s, o 70 BL/s (Película complementaria 3), que es un récord, 17,5 veces mayor que la de los robots de cuerpo blando anteriores hasta donde sabemos (Fig. 1b, Tabla complementaria 1). Los cuadros individuales del video en ejecución se muestran en la Fig. 3e. A partir de las curvas de los desplazamientos y velocidades frente al tiempo, vemos que para corrientes más bajas, el contacto y la fricción entre los pies y el sustrato ralentizan al robot (Figs. 21a-c complementarias). Sin embargo, con corrientes altas alrededor de la frecuencia de resonancia, el robot flota en el aire la mayor parte del tiempo o toca el suelo con un solo pie, lo que reduce la disipación de energía entre el robot y el sustrato y aumenta la velocidad de carrera (Fig. 21d complementaria). ). Para imanes más grandes, la velocidad debería estabilizarse en última instancia cerca de un valor máximo discutido en profundidad en el Texto complementario para varios mecanismos. Aunque la velocidad del robot aumenta con la corriente, a corrientes muy altas (superiores a 0,6 A), el robot se tropieza debido al plegado excesivo de su cuerpo (Fig. 22a complementaria). Sugerimos tres soluciones a este problema: (1) acortar la duración de la corriente negativa (contracción) (Fig. 22b complementaria); (2) disminuir la amplitud de la corriente negativa (Fig. 22c complementaria); (3) aumentar la frecuencia de conducción. Todas estas soluciones funcionan bien (Película complementaria 4) y la velocidad del robot puede aumentar aún más con una mayor optimización.

Aunque hemos logrado una velocidad de funcionamiento récord con los pies en forma de diente de sierra, la dependencia de las propiedades del sustrato limita la aplicabilidad de los SEMR. Para superar esto, desarrollamos el diseño de pies en forma de L, que es mucho más universal. El mecanismo de trabajo del SEMR TL que emplea los pies en forma de L se ilustra en la Fig. 3f y en la Fig. 23 complementaria. Los pies en forma de L relativamente grandes están unidos en el interior de la pata trasera y en el exterior de la pata delantera. Figuras 24a, b). Esta asimetría incorporada cambia alternativamente el peso entre los pies de manera que la reacción normal y las fuerzas de fricción estática se distribuyen de manera desigual, similar al ciclo humano de caminar y correr. Para corrientes positivas \(I \, > \,0\) durante la expansión (Fig. 3f, panel superior), el pie delantero (derecho) tiene una pequeña fricción \({F}_{{{{{{\rm{ f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, 0\) y se desliza hacia adelante (a la derecha) , mientras que el pie trasero (izquierdo) tiene una gran fricción \({F}_{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm {s2}}}}}}}\,\approx\, fG\) y está casi fijo. Para corrientes negativas \(I \, < \, 0\) durante la contracción (Fig. 3f, panel inferior) la situación se invierte: el pie delantero tiene una gran fricción \({F}_{{{{{{\rm {f1}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, fG\) y es casi fijo, mientras que el uno trasero donde \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}} }\,\approx\, 0\) se detiene. Una explicación detallada de este comportamiento se da en el Texto Complementario, sección 1.17, "Principio de locomoción del SEMR con los pies en forma de L". Se pueden ver estas etapas en los fotogramas de la Fig. 3g (tomadas de la Película complementaria 3) para la excitación de onda cuadrada a 1 Hz por una corriente baja de 0,2 A. Se ha medido la frecuencia resonante del SEMR TL (Figura complementaria .24c) sea más bajo que el de SEMR TST, debido al peso adicional de los pies en forma de L. Se probaron seis geometrías diferentes de pies en forma de L (Fig. 24a complementaria, Tabla 3 complementaria) y se seleccionó el tipo de pie E más rápido (Fig. 24d complementaria) para los experimentos posteriores.

La Figura 3h muestra fotogramas de la Película complementaria 3 donde SEMR TL se ejecuta en una placa de vidrio. El panel superior (0,3 A, 40 Hz) demuestra un funcionamiento controlado. Después de una breve etapa de aceleración, la velocidad se estabiliza en un valor constante de 165 mm/s, correspondiente a 18,3 BL/s. La secuencia inferior tiene una corriente más alta y está más cerca de la resonancia mecánica (0,4 A, 30 Hz); esto conduce a un movimiento mucho más rápido (630 mm/s, 70 BL/s), pero el movimiento está menos controlado. Las dependencias de frecuencia para diferentes corrientes en la Fig. 3j demuestran un comportamiento resonante, similar al de la Fig. 3i. Las frecuencias de resonancia difieren entre los dos diseños debido a las diferencias en las dimensiones y el peso del robot (Fig. 24c complementaria). La Figura 3k enumera las velocidades máximas alcanzadas por SEMR TL en varios sustratos con diferentes propiedades tribológicas en condiciones resonantes. Las curvas de desplazamiento frente a tiempo para el SEMR TL muestran una locomoción estable en la mayoría de los sustratos, especialmente en los lisos como el vidrio y el metal (Fig. 25 complementaria).

Además de moverse a altas velocidades, muchos animales desarrollaron una amplia gama de estrategias de supervivencia, incluida la resistencia al impacto o la caída, la capacidad de evadir obstáculos, cruzar la frontera terrestre/acuática a voluntad, así como transportar presas y/o crías. Algunas de estas capacidades inspiran la robótica, donde, por ejemplo, la alta durabilidad aumenta la tasa de supervivencia del robot en entornos hostiles19,26. Realizamos pruebas de durabilidad en las que nuestros SEMR se aplanan con una gran fuerza (1764 veces su peso corporal) al caminar (Fig. 4a, Película complementaria 5). El rendimiento del robot se mantiene constante antes y después del impacto. Incluso comprimimos el cuerpo de SEMR TL con una máquina de prueba de tracción y descubrimos que el LM sellado puede soportar tensiones de compresión de hasta 139 atm (2000 N en el cuerpo). La desconexión eléctrica se produjo a presiones superiores a 3,5 atm (50 N de fuerza sobre el cuerpo), pero la resistencia y el cuerpo del SEMR se recuperaron cuando se liberó la presión (Fig. 26 complementaria).

una prueba de robustez que muestra la resiliencia de SEMR TL ante una carga externa (Película complementaria 5). El robot vuelve a caminar después de presionarlo y aplanarlo por completo dos veces (corriente de conducción, 0,3 A, 1 Hz). b El SEMR salta (arriba) y sobre (abajo) un objeto de 2,5 mm de altura (Película complementaria 6). c SEMR TST flotando en la superficie del agua. Recuadro, vista superior del robot. d Ruta del SEMR TST de natación (Película complementaria 7). e Velocidad máxima de nado versus frecuencia para una corriente impulsora de 0,5 A. Las barras de error representan la desviación estándar de cuatro mediciones. f SEMR TSTS orientable de dos módulos. Los fotogramas 1 a 7 muestran giros en línea recta, en sentido contrario a las agujas del reloj y en el sentido de las agujas del reloj utilizando corrientes controladas a través de los módulos (Película complementaria 8). El intervalo de marca a lo largo de la línea recta es de 1 cm. g Vista lateral del transporte SEMR TRC, transportando carga. Consiste en un cuerpo y un actuador de liberación para el manejo automatizado de carga (Película complementaria 9). h Fotografías de SEMR UL, UR1 y UR2 sin ataduras, de izquierda a derecha. i Una secuencia de instantáneas del SEMR UL sin ataduras en ejecución (Película complementaria 10) con un intervalo de tiempo de 0,6 s. j Una secuencia de instantáneas del SEMR UR1 sin ataduras en ejecución (Película complementaria 10) con un intervalo de tiempo de 0,27 s. k Instantáneas del SEMR UR2 nadando (Película complementaria 10) en estados de contracción y expansión, subpanel izquierdo y derecho, respectivamente.

Sin embargo, la resiliencia por sí sola no es suficiente; superar obstáculos sigue siendo un desafío para la mayoría de los robots de pequeña escala15. Demostramos que nuestro SEMR TST puede saltar sobre obstáculos con una altura de hasta 4 mm (aproximadamente 2/3 de su altura, Figura complementaria 27a, Película complementaria 6) aplicando una señal de corriente pulsada (corriente negativa de 100 ms de −1 A , seguido de 50 ms de corriente positiva de 1 A). El análisis cuadro por cuadro (Fig. 27a complementaria) muestra que el robot primero se contrae y luego inclina su cuerpo (almacenando energía en el proceso). Luego se expande, como un resorte comprimido (liberando energía), y salta sobre el obstáculo. De manera similar, el SEMR TL puede saltar 3 mm hacia arriba sobre la superficie metálica (Fig. 27b complementaria, Película complementaria 6), así como a través de un obstáculo, o saltar a un escenario y continuar corriendo (Fig. 4b, Película complementaria 6). Eliminar la restricción de los entornos terrestres para que los robots a pequeña escala incluyan condiciones de trabajo acuosas permite la manipulación de objetos flotantes para la microfabricación27. Los SEMR anfibios, debido a su capacidad de control, permitirían una amplia gama de aplicaciones. Con su peso ligero y su densidad media relativamente baja (alrededor de \(1,2\,{{{{{\rm{g}}}}}}\,{{{{{{\rm{cm}}}}}}} ^{-3}\)), el SEMR TST flota en una superficie de agua sin más modificaciones debido a la tensión superficial y la flotabilidad (Fig. 4c). Cuando se acciona con una corriente de onda cuadrada (0,5 A, 20 Hz), el robot nada a lo largo de la superficie del agua (Fig. 4d) a una velocidad máxima de 43 mm/s o 4,8 BL/s (Fig. 4e, Película complementaria 7) , que se compara favorablemente con otros robots de natación (Fig. 1 complementaria, Tabla complementaria 2). Otras mejoras pueden permitir que el SEMR alcance la velocidad de ciertos insectos (136,4 BL/s), peces (17,8 BL/s) o renacuajos (17,9 BL/s). Las tareas complejas en robótica generalmente involucran varios grados de libertad que a menudo son difíciles de realizar en robots blandos a pequeña escala debido a los mecanismos de control requeridos. Dado que los canales LM impresos de los SEMR son direccionables y escalables individualmente, un SEMR TSTS de dos módulos (pies en forma de diente de sierra atados, dirección) que contiene dos bobinas separadas (Fig. 4f, Fig. 28 complementaria) ya es orientable. El control independiente de las corrientes de la bobina permite que el robot camine en línea recta, gire en sentido horario o antihorario (Fig. 4f, Película complementaria 8) con una velocidad angular de 160 °/s y, por lo tanto, navegue libremente. Otro rediseño estructural del SEMR de dos módulos que incluye la reconfiguración de la posición de la segunda bobina da como resultado el SEMR TRC de transporte (pies rectangulares atados, carga) (Fig. 29 complementaria). La reubicación automática de objetos es posible al accionar los dos módulos individualmente, uno para correr y el otro para liberar de forma controlada la carga (Fig. 4g, Película complementaria 9).

Hasta este punto, los SEMR atados eran impulsados ​​por sistemas de energía externos. Sin embargo, los robots autoalimentados/sin ataduras poseen una mayor libertad de navegación y pueden responder más fácilmente al entorno o realizar tareas de propósito general. A pesar de las dificultades para alcanzar la autonomía energética y computacional en sistemas de pequeña escala, este paso es crucial para lograr el último sueño de los microrobots autónomos y autopropulsados. Aquí, proporcionamos una solución de creación de prototipos sencilla para SEMR sin ataduras al reemplazar el actuador de manipulación de carga de un SEMR de transporte con una placa de circuito impreso (PCB) alimentada por batería personalizada (Materiales y métodos). Se utilizan tres tamaños diferentes de PCB (Figuras complementarias 30–32) y baterías no magnéticas (Tabla complementaria 4) para construir los controladores. En la Fig. 4h, mostramos una imagen grupal de los SEMR sin ataduras. La longitud del cuerpo de SEMR UL (pies en forma de L, sin ataduras) es de 9 mm y alrededor de 20 mm para SEMR UR1 (pies rectangulares, sin ataduras, n.º 1) y UR2 (pies rectangulares, sin ataduras, n.º 2). El resumen de estos robots se proporciona en la Tabla complementaria 5. El SEMR UL funciona sobre una superficie metálica (Fig. 4i, Figura complementaria 33) a una velocidad de 1,2 BL/s. El SEMR UR1 puede funcionar a una velocidad de 2,1 BL/s en un sustrato impreso en 3D (Fig. 4j) y nadar a una velocidad de 1,25 BL/s en el agua (Fig. 34 complementaria). La alta resistencia interna de las baterías (Tabla complementaria 4) y las corrientes de onda cuadrada solo positivas proporcionadas por los PCB pequeños y medianos (Figura complementaria 30 y Figura complementaria 31) limitan el rendimiento de funcionamiento de los SEMR. En consecuencia, desarrollamos un controlador más grande, que incluye PCB (Figura complementaria 32) y batería (Figura complementaria 35a, Tabla complementaria 4) capaz de alternar corriente de onda cuadrada (Figura complementaria 35b). El SEMR UR2 con la PCB grande y la batería (Fig. 35c–f complementaria) puede nadar a una velocidad máxima de 1,8 BL/s (Fig. 4k, Fig. 35g complementaria, h, Película complementaria 10). Las comparaciones entre los SEMR sin ataduras y otros robots en la Fig. 1b, la Fig. 1 complementaria, la Tabla 1 complementaria y la Tabla 2 complementaria llevan a la conclusión de que nuestros SEMR poseen altas velocidades tanto para correr como para nadar. Sin embargo, los SEMR sin ataduras son más lentos que los con ataduras, debido a un aumento de peso y tamaño (Tabla complementaria 5), ​​un diseño de controlador simplificado, bajo rendimiento de la batería, todo lo cual puede beneficiarse de una mayor optimización. Más detalles sobre los SEMR sin ataduras se encuentran en el Texto complementario.

En resumen, hemos presentado SEMR a pequeña escala con ultra alta velocidad (hasta 70 BL/s), que presentan una gran robustez, locomoción multimodal y funcionamiento sin ataduras que los hacen muy adecuados para aplicaciones versátiles en sistemas inteligentes controlados eléctricamente. Además, los campos magnéticos más fuertes, como el interior de una máquina de resonancia magnética28, mejorarán en gran medida la velocidad, la potencia de salida y la eficiencia de los SEMR9. La fabricación sencilla y escalable mediante la escritura con tinta directa en 3D los hace muy adecuados para aplicaciones versátiles en sistemas inteligentes controlados eléctricamente y permite el desarrollo de futuros microrobots de alto rendimiento para la microfabricación flexible, la administración dirigida de fármacos y la cirugía no invasiva, donde la agilidad es primordial importancia5,29,30.

El elastómero para la fabricación de películas bicapa se prepara mezclando una solución de Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) y polidimetilsiloxano (PDMS) (Sylgard 184, Dow Corning Inc.) con una proporción de masa de 1:10. La solución Ecoflex consiste en Ecoflex parte A y parte B con una relación de masa de 1:1. La solución de PDMS consiste en una proporción de masa de 1:10 de agentes de curado y monómeros de PDMS. Las soluciones Ecoflex y PDMS se mezclan y desgasifican en un mezclador planetario bajo presión de vacío (DAC 600.2 VAC-P, Hauschild & Co. KG) (350 mbar durante 1 min a 0 rpm, 20 s a 1500 rpm y 20 s a 2350 rpm). Luego, la solución Ecoflex/PDMS se cura en un horno a 60 °C o 80 °C durante 30 min. Las películas de elastómero azul se fabrican utilizando el proceso anterior, pero se añadió un 2 % en peso de polvo colorante adicional (polvo de pigmento, Vitarie) a la solución Ecoflex/PDMS mediante mezcla.

El módulo de corte del compuesto Ecoflex/PDMS se obtiene ajustando los datos de tensión-deformación obtenidos de una prueba de tracción uniaxial (Fig. 36a complementaria, tasa de deformación 40 % min−1). La geometría de la probeta se basa en la norma europea EN ISO 527-2:1996 (tipo 5 A). Bajo el supuesto de un modelo hiperelástico Neo-Hookean incompresible, el módulo de corte del compuesto Ecoflex/PDMS es 66,5 ± 1,0 kPa.

El metal líquido (LM), también conocido como "Galinstan", consiste en galio, indio y estaño con una relación de masa de 69: 22: 9 (Smart Elements, smart-elements GmbH). La densidad de masa y la resistividad eléctrica de Galinstan son aproximadamente 6,44 g/cm3 y 2,89 × 10−7 Ω m, respectivamente, a temperatura ambiente. Los electrodos insertados en el SEMA/SEMR (Fig. 1, Fig. 4 complementaria) son alambre de cobre recubierto de estaño (No. 0601025, Kabeltronik) con un diámetro de 150 µm. La corriente se suministra al robot a través de dos cables de cobre de 50 µm de grosor (n.º 1570224, componentes TRU), en el caso del robot atado.

En los experimentos se utilizan dos imanes hechos de NdFeB (N45). Imán 1: un imán de placa circular (SM-100×30-N, magnets4you GmbH) con una dimensión de ∅ 100 × 30 mm. Imán 2: dos placas magnéticas idénticas (3965, EarthMag GmbH) apiladas juntas con una dimensión total de ∅ 120 × 100 mm. Magnet 2 solo se utiliza en los experimentos con SEMR UL y UR2. Obtuvimos los campos magnéticos de los dos imanes a partir de experimentos y simulaciones. Los resultados se proporcionan en el texto complementario.

Los pies rectangulares y en forma de diente de sierra del robot se fabrican cortando láminas de poliimida de 75 µm (300HN, Kapton) en la forma deseada (Fig. 13g complementaria) con una máquina de corte por láser o un bisturí. Los pies en forma de L (Figura complementaria 24a, b, Tabla complementaria 3) se imprimen en 3D con una impresora SLA (Forma 3, FORMLABS). Para el SEMR de dos módulos, los pies se modifican aún más para adaptarse a la superficie de goma (Fig. 4f, Fig. 28a, b complementaria).

El sustrato de diente de sierra se imprime con una impresora FDM comercial (3 Extended, Ultimaker). La geometría del sustrato se puede encontrar en la Fig. 1a y la Fig. 18 complementaria. El material del sustrato es filamento ABS Pro (n.º 1528301, Renkforce) y el grosor de la capa impresa es de 0,06 mm.

Papeles de lija: los tamaños de grano de los papeles de lija son 80 (Sp-p80), 180 (Sp-p180) y 400 (Sp-p400) de kwb Germany GmbH; PDMS: la solución de PDMS consiste en una proporción de masa de 1:10 de agentes de curado y monómeros de PDMS, que se vierte en un molde impreso en 3D y se cura en el horno a 60 °C durante 2 horas. El espesor de la película de PDMS es de 2 mm; Papel: papel de oficina A4. Madera: cortada de un listón de balsa (No. 1436844, Pichler); Metal: la superficie del imán 1; Plástico: cortado de una placa Petri de poliestireno (391-0556, VWR); Vidrio: placa de vidrio regular con un espesor de 1,9 mm. Caucho: bandas de resistencia de látex (Silver, THERABAND)

La estructura y las partes principales de la impresora 3D de escritura directa con tinta (DIW) se muestran en la Fig. 2 complementaria, que consiste principalmente en un dispensador de presión (Ultimus V, Nordson EFD) y una impresora comercial de modelado por deposición fundida (FDM) (CR- 10 V2, Creality). El dispensador está conectado a una jeringa (Optimeter optimo 30CC, Nordson EFD) montada en el cabezal de impresión FDM conectado con una punta cónica con un diámetro interior de 410 µm (7018298, Nordson EFD) o 200 µm (7018417, Nordson EFD). La punta de 200 µm solo se usa para SEMR UL. Una tubería de aire comprimido y una bomba de vacío están conectadas al dispensador para expulsar y retener el metal líquido, dentro y fuera de la jeringa, respectivamente. El dispensador y la impresora FDM están controlados por una sola computadora de placa (4 Modelo B, Raspberry Pi) que ejecuta una versión personalizada de la aplicación, OctoPrint. Un pequeño turboventilador acelera la oxidación de la superficie de la traza de metal líquido y un microscopio sintoniza el espacio de la punta con la superficie de impresión. El espacio entre la boquilla y la superficie de impresión es de aproximadamente 0,1 mm. Los códigos G para patrones impresos se generan manualmente o con script personalizado.

En la fabricación de SEMA, el LM se imprime en una película de elastómero con un espesor inicial de alrededor de 350 µm hecha por recubrimiento por rotación. Los parámetros de revestimiento por rotación se proporcionan en la figura complementaria 36b y la tabla complementaria 6. Se coloca un marco de goma de 400 µm de espesor alrededor del LM como molde para la solución de elastómero sin curar, que se vierte sobre las trazas impresas del LM. Utilizamos un portaobjetos de vidrio para eliminar el exceso de solución de elastómero. Posteriormente, la película bicapa (con una capa de solución de elastómero sin curar) se desgasifica en una cámara de vacío (100 mbar) durante varios minutos hasta que no haya burbujas de aire alrededor de los canales LM. Luego, la película bicapa se coloca en el horno (80 °C) durante media hora para curar la solución de elastómero. Después de eso, los electrodos metálicos se insertan en la película bicapa para conectar los canales LM. Luego, se depositan unas gotas de solución de elastómero alrededor de la ubicación de los electrodos insertados para sellar mejor el LM. La película bicapa se vuelve a poner en el horno (60 °C) durante media hora para curar las pocas gotas de solución de elastómero. Finalmente, el SEMA se corta de la película bicapa con un bisturí. Para obtener SEMA 2, se corta un área cuadrada pequeña (1,4 mm × 1,4 mm) de un SEMA 1 con la cuchilla.

Las películas de bicapa azul se fabrican en seis pasos principales (Fig. 11 complementaria). En primer lugar, se obtiene una película elastomérica mediante el curado de la solución mixta Ecoflex/PDMS/coloración en polvo (ver apartado Materiales y caracterización) en un molde de PMMA durante 30 minutos a 60 °C. Luego, se cortaron una serie de orificios de la película elastomérica preparada con un cortador láser. Esto permite montarlo en un marco impreso en 3D para aplicar estiramientos previos. Se usaron diferentes marcos para diferentes estiramientos previos del objetivo. Para fabricar la película de la capa superior, se colocó un espaciador de 1 mm sobre la película preestirada y se vertió la solución de elastómero mixto en el interior. El exceso de solución sobre el espaciador se elimina del marco con una hoja de plástico afilada. Otro proceso de curado de la película de la capa superior dura 30 minutos a 60 °C. Finalmente, se corta una película bicapa del marco con un bisturí y se curva. Los resultados experimentales se ilustran en la figura complementaria 12.

En la fabricación de SEMR, el LM se imprime en una película de elastómero estirada fijada en un marco impreso en 3D (Fig. 1a, Fig. 13 complementaria). Los siguientes pasos son similares a la fabricación de los SEMA hasta la unión de dos pies con superpegamento (Ultra Gel Matic, Pattex). Los detalles sobre estos SEMR se proporcionan en el Texto complementario.

El sistema de control (Fig. 6 complementaria) consta de una computadora de placa única Raspberry Pi 4 Modelo B, una placa controladora PWM de 16 canales (PCA9685) Adafruit y varios puentes H Digilent Pmod HB3. Tanto el controlador PWM como los puentes H están alimentados por el regulador integrado de 3,3 V de la Raspberry Pi. El software de control está escrito en Python y se ejecuta en Raspberry Pi. La comunicación con el controlador PWM se facilita mediante un bus I2C. El controlador PWM genera señales de onda cuadrada con frecuencia y ciclo de trabajo especificados, según lo programado. Estas señales de salida se utilizan para controlar los pines EN (habilitar) de los puentes H. Además, los pines GPIO de Raspberry Pi se utilizan para cambiar la dirección (polaridad) de los puentes H. Los terminales de entrada del puente H están conectados a una fuente de alimentación de sobremesa (GPO-33030, GW Instek), lo que permite limitar la corriente máxima que pasa por el puente H. Cada actuador está conectado a uno de los terminales de salida de los puentes H a través de cables magnéticos delgados con un diámetro de 0,05 mm (No. 1570224, TRU COMPONENTS).

Los SEMA se colocan verticalmente, perpendicularmente a la superficie del imán y se sujetan con una estructura de soporte de plástico (Figura complementaria 7a). El canal de metal líquido más bajo de los SEMA está a unos 6 mm de la superficie del imán. Los SEMA son accionados por el sistema de control PWM. En la prueba de flexión estática, se aplica una corriente continua constante al SEMA, mientras que para la flexión dinámica se activa mediante una corriente de onda cuadrada (Fig. 7e complementaria).

Las simulaciones numéricas se realizan con el software comercial ABAQUS/Standard (SIMULIA, Dassault Systèmes). Para simular la película bicapa estirada/SEMR, se utiliza una subrutina de usuario UMAT. Los detalles sobre la subrutina se proporcionan en el Texto Suplementario, sección 1.1. "Simulación numérica de las películas bicapa". El modelo de material hiperelástico neo-Hookean se utiliza para modelar el comportamiento mecánico del elastómero con un módulo de corte de 66,5 kPa obtenido a partir de la caracterización experimental. La relación de Poisson se establece en 0,49. En la simulación, el metal líquido se reemplaza por el elastómero para simplificar, debido a la fracción de bajo volumen de LM dentro del elastómero.

El robot está sujeto por los cables de cobre a un soporte de soporte a unos 11 mm por encima de la superficie del imán (Fig. 14a complementaria). El análisis de la frecuencia de resonancia se realizó con un generador de funciones (33250 A, Agilent) como fuente de señal. La salida del generador de funciones se alimenta a un circuito amplificador de búfer hecho a medida alimentado por una fuente de alimentación de sobremesa (EA-PS2316-050, EA Elektro-Automatik), capaz de entregar hasta 5 A de corriente. El actuador es accionado directamente por la salida del amplificador. Se agrega una resistencia de alta potencia de un ohmio (HS150 1 R J, Arcol) en serie al actuador, que sirve como resistencia de derivación. Esto permite la medición de la forma de onda actual utilizando un osciloscopio digital (GDS-11048, GW Instek) a través de la ley de Ohm. El generador de funciones está controlado por una computadora y la frecuencia se incrementa en 1 Hz cada segundo. La respuesta a las corrientes de onda sinusoidal y cuadrada en el rango de 1-100 Hz se ha medido de esta manera. La vibración se registra con una cámara digital y el desplazamiento horizontal de los pies del robot se obtiene mediante análisis de video con un script personalizado (MATLAB, MathWorks).

La velocidad de los SEMR se mide analizando los fotogramas de los vídeos. Para ubicar el robot en el marco, primero binarizamos el marco para separar el cuerpo ajustando el umbral entre blanco (cuerpo) y negro (fondo). Luego obtenemos la posición del robot calculando el centro del área del cuerpo o el centro del límite en la dirección de marcha. Todos estos procesos se realizan con un script personalizado (Python o MATLAB). La posición del robot también se puede rastrear utilizando la biblioteca de visión por computadora OpenCV o el software "Tracker" (https://physlets.org/tracker/). La velocidad medida se define como la velocidad media durante un período de 50 ms, a menos que se indique lo contrario.

La configuración experimental es similar a la prueba de caminar y correr. El SEMR TL se coloca en la superficie del imán. El robot es accionado por el sistema de control PWM con una corriente de onda cuadrada (0,2 A, 1 Hz). En la película complementaria 5, el SEMR TL recupera sus capacidades operativas, luego de ser presionado manualmente y aplanado por una barra de plástico. La fuerza máxima en esta prueba se estima aplanando el robot en una balanza (GP3202, Sartorius) y equivale a unos 300 g.

El cuerpo de SEMR TL también se comprime con una máquina de prueba de tracción (Z005, ZwickRoell) hasta 2000 N. Durante la prueba, la resistencia del SEMR se registra con un multímetro (2110, Keithley) usando un método de medición de resistencia de 4 hilos. .

Esta configuración se muestra en la figura complementaria 8. Un termopar está unido al centro del SEMA con superpegamento. El SEMA 1 se somete a corrientes de onda cuadrada con amplitudes de 0,1 A, 0,3 A y 0,5 A. El SEMA se deja enfriar a temperatura ambiente entre las mediciones. Para cada corriente, la medición dura 1000 s.

Los PCB pequeños y medianos (Figuras complementarias 30 y 31) que impulsan el robot sin ataduras consisten en un circuito integrado (IC) de temporizador de 555 variantes (MIC1555, Microchip) y un transistor de efecto de campo de semiconductor de óxido de metal de canal n (MOSFET ). El temporizador IC está configurado como un multivibrador astable a través de una resistencia externa y un condensador. Esto da como resultado la generación de una señal de onda cuadrada en la salida, con la constante de tiempo del resistor-capacitor (RC) determinando la frecuencia. El pin de salida está conectado a la puerta del MOSFET y los contactos del robot están conectados al drenaje. La energía es proporcionada por una batería de polímero de litio, que está diseñada específicamente sin materiales ferromagnéticos (sin lámina de níquel). Cuando el temporizador emite una señal alta, el MOSFET se enciende y la corriente fluye a través del robot.

El PCB grande (Fig. 32 complementaria) aborda algunas de las desventajas de las versiones más pequeñas, como la falta de regulación de voltaje y la restricción a voltajes de salida positivos. Esto se ve facilitado por la adición de un controlador de motor IC con un puente H integrado (DRV8832, Texas Instruments). La señal de salida de onda cuadrada del chip temporizador se alimenta a uno de los dos pines de entrada del controlador IC. El otro pin de entrada está conectado a la misma señal a través de un inversor. Los pines de entrada, por lo tanto, tienen valores lógicos opuestos en todo momento. Esto hace que el IC del controlador cambie de "dirección" después de cada medio ciclo de la señal de entrada. La carga se conecta alternativamente al voltaje de la batería y al voltaje inverso de la batería a través del circuito del puente H. La regulación de voltaje se logra en el lado de la carga al cambiar a la modulación PWM para mantener el voltaje de entrada por encima de un valor establecido. Esto asegura que la frecuencia de conducción permanezca estable, mientras que la potencia de salida se reduce. También tiene el efecto de prevenir la descarga excesiva de la batería.

Diseñamos y dibujamos todos los PCB con el software KiCad EDA (https://www.kicad.org/).

En este trabajo se utilizan tres tipos de baterías de litio no magnéticas (Tabla complementaria 4). En la medida, la batería se conecta en serie a un medidor fuente (2611 A, Keithley) y en paralelo a un osciloscopio (GDS-1104B, GW Instek). El medidor de fuente proporciona un pulso de corriente negativa de 500 ms (el dispositivo absorbe corriente). El voltaje se mide con el osciloscopio directamente a través de los terminales de la batería (esencialmente, detección de 4 hilos). La primera medida es el voltaje de circuito abierto \({V}_{{{\rm{abierto}}}}\). La segunda medida \({V}_{{{\rm{pulso}}}}\) se toma 100 ms después del comienzo del pulso. La resistencia interna de la batería se calcula mediante \({R}_{{{{{{\rm{in}}}}}}}=({V}_{{{\rm{open}}}}- {V}_{{{\rm{pulso}}}})/I\).

La mayoría de las imágenes de microscopía óptica se registraron utilizando un microscopio Nikon Eclipse LV100ND. La Fig. 3g complementaria se registra con el microscopio óptico BRESSER Erudit DLX (No. 5102000) con cámara ocular BRESSER MikrOkular. A menos que se indique lo contrario, se utilizó una cámara digital (EOS 80D, Canon) para fotos y videos a una velocidad de cuadro de 50 fps y una resolución de 1920 × 1080 píxeles. La vista lateral del robot de natación SEMR TST fue registrada por otra cámara (GC-PX10, JVC) con los mismos parámetros. Todos los videos en cámara lenta fueron grabados por una cámara de alta velocidad (Chronos 2.1-HD, Krontech). La mayoría de ellos se grabaron a una velocidad de fotogramas de 2142 fps con una resolución de 1280 × 720 píxeles. El experimento con la vibración del SEMR sujeto a dos corrientes de onda cuadrada (0,5 A, 37 Hz) (Fig. 2h) se grabó a una velocidad de fotogramas de 4230 fps con una resolución de 1280 × 360 píxeles. Para la prueba de caída de oscilación (Fig. 40 complementaria), el video se grabó a una velocidad de cuadro de 5406 fps con una resolución de 640 × 480 píxeles.

Todos los datos necesarios para evaluar las conclusiones del artículo están presentes en el artículo y/o en los Materiales Complementarios. Se pueden solicitar a los autores datos adicionales relacionados con este artículo.

El código utilizado en este documento está disponible para cualquier solicitud razonable.

Rubin, S., Young, MH-Y., Wright, JC, Whitaker, DL y Ahn, AN Excepcional rendimiento de carrera y giro en un ácaro. Exp. J. Biol. 219, 676–685 (2016).

Académico de Google de PubMed

Park, H.-W., Wensing, PM y Kim, S. Saltos de alta velocidad con el MIT Cheetah 2: diseño de control y experimentos. En t. J.Robot. Res. 36, 167–192 (2017).

Artículo Google Académico

Jafferis, NT, Helbling, EF, Karpelson, M. & Wood, RJ Vuelo sin ataduras de un vehículo aéreo a microescala con alas batientes del tamaño de un insecto. Naturaleza 570, 491–495 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kim, B., Lee, MG, Lee, YP, Kim, Y. y Lee, G. Un microrobot parecido a una lombriz de tierra que utiliza un actuador de aleación con memoria de forma. Sens. Actuadores A: Phys. 125, 429–437 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Sitti, M. Robots blandos en miniatura: camino a la clínica. Nat. Rev.Mater. 3, 74–75 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Haines, CS et al. Músculos artificiales de hilo de pescar e hilo de coser. Ciencia 343, 868–872 (2014).

Artículo ADS CAS Google Académico

Zhang, S. et al. Gel polimérico supramolecular sensible al pH como elastómero entérico para uso en dispositivos gástricos. Nat. Mate. 14, 1065–1071 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Shahsavan, H. et al. Locomoción submarina bioinspirada de geles de cristal líquido impulsados ​​por luz. proc. Academia Nacional. ciencia 117, 5125–5133 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Mao, G. et al. Actuadores electromagnéticos suaves. ciencia Adv. 6, eabc0251 (2020).

Artículo ADS CAS Google Académico

Chen, Y. et al. Vuelo controlado de un microrobot impulsado por suaves músculos artificiales. Naturaleza 575, 324–329 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Kim, Y., Yuk, H., Zhao, R., Chester, SA y Zhao, X. Impresión de dominios ferromagnéticos para materiales blandos de transformación rápida sin ataduras. Naturaleza 558, 274–279 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Hu, W., Lum, GZ, Mastrangeli, M. & Sitti, M. Robot de cuerpo blando a pequeña escala con locomoción multimodal. Naturaleza 554, 81–85 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Acome, E. et al. Actuadores electrostáticos autorreparables amplificados hidráulicamente con un rendimiento similar al de un músculo. Ciencia 359, 61–65 (2018).

Artículo ADS CAS Google Académico

Sitti, M. & Wiersma, DS Pros y contras: Microrobots magnéticos versus ópticos. Adv. Mate. 32, 1906766 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Ng, CSX et al. Locomoción de robots blandos en miniatura. Adv. Mate. Rev. 33, 2003558 (2021).

Ebrahimi, N. et al. Métodos de actuación magnética en robótica biológica/blanda. Adv. Función Mate. 31, 2005137 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Park, Y.-G., An, HS, Kim, J.-Y. & Park, J.-U. Impresión reconfigurable de alta resolución de metales líquidos con estructuras tridimensionales. ciencia Adv. 5, eaaw2844 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Parekh, DP, Ladd, C., Panich, L., Moussa, K. & Dickey, MD Impresión 3D de metales líquidos como tintas fugitivas para la fabricación de canales microfluídicos 3D. Lab a Chip 16, 1812–1820 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Li, T. et al. Robot a escala de insecto ágil y resistente. Robot blando. 6, 133–141 (2018).

Artículo Google Académico

Morin, SA et al. Camuflaje y Display para Máquinas Blanda. Ciencia 337, 828–832 (2012).

Artículo ADS CAS Google Académico

Khang, D.-Y., Jiang, H., Huang, Y. & Rogers, JA Una forma estirable de silicio monocristalino para electrónica de alto rendimiento en sustratos de goma. Ciencia 311, 208–212 (2006).

Artículo ADS CAS Google Académico

Xu, S. et al. Ensamblaje de micro/nanomateriales en arquitecturas tridimensionales complejas mediante pandeo por compresión. Ciencia 347, 154–159 (2015).

Artículo ADS CAS Google Académico

Duduta, M., Clarke, DR & Wood, RJ Un robot blando de alta velocidad basado en actuadores de elastómero dieléctrico. En Conferencia internacional IEEE sobre robótica y automatización (ICRA), 4346–4351 (IEEE, 2017).

Tang, Y. et al. Aprovechamiento de las inestabilidades elásticas para un rendimiento amplificado: robots blandos de alta velocidad y alta fuerza inspirados en la columna vertebral. ciencia Adv. 6, eaaz6912 (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Murphy, MP, Aksak, B. & Sitti, M. Adhesión direccional y controlable inspirada en Gecko. Pequeño 5, 170–175 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Wu, Y. et al. Robot suave ultrarobusto y de rápido movimiento a escala de insecto. ciencia Robot. 4, eaax1594 (2019).

Artículo Google Académico

Barbot, A., Tan, H., Power, M., Seichepine, F. y Yang, G.-Z. Microrobots magnéticos flotantes para funcionalización de fibras. ciencia Robot. 4, eaax8336 (2019).

Mutlu, S., Yasa, O., Erin, O. y Sitti, M. Actuadores de fuerza de Lorentz modulares, inalámbricos, en miniatura, compatibles con imágenes de resonancia magnética y accionados ópticamente. Adv. ciencia 8, 2002948 (2021).

Artículo Google Académico

Procter, LD, Davenport, DL, Bernard, AC y Zwischenberger, JB La duración de la operación quirúrgica general se asocia con un aumento de las tasas de complicaciones infecciosas ajustadas al riesgo y la duración de la estancia hospitalaria. Mermelada. Col. Cirugía 210, 60–65.e62 (2010).

Artículo Google Académico

Daley, BJ, Cecil, W., Clarke, PC, Cofer, JB y Guillamondegui, OD ¿Qué tan lento es demasiado lento? Correlación del tiempo operatorio con las complicaciones: un análisis de Tennessee Surgical Quality Collaborative. Mermelada. Col. Cirugía 220, 550–558 (2015).

Artículo Google Académico

Descargar referencias

Agradecemos a Andreas Heiden, David Preninger, Reinhard Schwödiauer y Simona Bauer-Gogonea por la ayuda en los experimentos y a Christa Mitschan por el apoyo mental. También agradecemos a Yong Wang de la Universidad de Zhejiang por la valiosa discusión sobre las vibraciones. Este trabajo fue apoyado por ERC Starting Grant 'GEL-SYS' bajo el acuerdo de subvención no. 757931 (MK).

Estos autores contribuyeron igualmente: Guoyong Mao, David Schiller.

Laboratorio de materiales blandos, Instituto de Tecnología de Linz, Universidad Johannes Kepler, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Austria

Guoyong Mao, David Schiller, Doris Danninger, Bekele Hailegnaw, Florian Hartmann, Thomas Stockinger, Michael Drack, Nikita Arnold y Martin Kaltenbrunner

División de Física de Materia Blanda, Instituto de Física Experimental, Universidad Johannes Kepler, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Austria

David Schiller, Doris Danninger, Bekele Hailegnaw, Florian Hartmann, Thomas Stockinger, Michael Drack, Nikita Arnold y Martin Kaltenbrunner

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

También puede buscar este autor en PubMed Google Scholar

GM, NA y MK concibieron e iniciaron el proyecto. GM diseñó los robots. DS construyó los controladores electrónicos. GM realizó el análisis numérico. NA y GM desarrollaron el marco teórico. GM, DS, DD, BH, FH, TS y MD realizaron los experimentos. GM, DS, DD, BH, NA y MK analizaron los resultados. GM y MK escribieron el manuscrito con comentarios y materiales de todos los autores. MK supervisó la investigación.

Correspondencia a Guoyong Mao o Martin Kaltenbrunner.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature Communications agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo. Los informes de los revisores están disponibles.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a los reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Acceso abierto Este artículo tiene una licencia internacional Creative Commons Attribution 4.0, que permite el uso, el intercambio, la adaptación, la distribución y la reproducción en cualquier medio o formato, siempre que se otorgue el crédito correspondiente al autor o autores originales y a la fuente. proporcionar un enlace a la licencia Creative Commons e indicar si se realizaron cambios. Las imágenes u otro material de terceros en este artículo están incluidos en la licencia Creative Commons del artículo, a menos que se indique lo contrario en una línea de crédito al material. Si el material no está incluido en la licencia Creative Commons del artículo y su uso previsto no está permitido por la regulación legal o excede el uso permitido, deberá obtener el permiso directamente del titular de los derechos de autor. Para ver una copia de esta licencia, visite http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Reimpresiones y permisos

Mao, G., Schiller, D., Danninger, D. et al. Robots electromagnéticos blandos ultrarrápidos a pequeña escala. Nat Comun 13, 4456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

Descargar cita

Recibido: 15 de marzo de 2022

Aceptado: 18 julio 2022

Publicado: 09 agosto 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

Cualquier persona con la que compartas el siguiente enlace podrá leer este contenido:

Lo sentimos, un enlace para compartir no está disponible actualmente para este artículo.

Proporcionado por la iniciativa de intercambio de contenido Springer Nature SharedIt

Al enviar un comentario, acepta cumplir con nuestros Términos y Pautas de la comunidad. Si encuentra algo abusivo o que no cumple con nuestros términos o pautas, márquelo como inapropiado.