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哈佛大学开发硬币大小的微型机器人,可完成人类外科显微手术

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发表于 2018-2-17 03:19:40 | 显示全部楼层 |阅读模式
Delta 机器人是并联机器人的一个类别,在 1980 年代出现,通常服务于工厂,负责拾取贴装工作。机器人从传送带上选择物体并安装到位。

世界上的第一台 Delta 机器人为巧克力工厂服务,将果仁糖放入包装中。与关节中拥有舵机的普通机器人不同,Delta 机器人由一个中心基站控制。

Delta 机器人就像一个倒挂的有三个脚的蜘蛛,因其的灵巧、速度和精确在装配、自动化和医疗设备领域得到应用。但是由于其发明专利控制在少部分人手里,Delta 并没有得到应有的推广。
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上世纪 80 年代,“Delta 机器人之父” Reymond Clavel 教授为一家巧克力工厂开发出 Delta 的第一个版本。

该机器人拥有三个独立控制的轻量手臂,引导一个平台在三个方向上快速准确地移动,从而高效包装巧克力果糖。

此后的近 30 年时间里,Delta 机器人凭借精度高、速度快,被广泛用于取放组装、机械加工、焊接、食品包装等工业流程中。

目前,Delta 机器人已经步入了“毫米级”时代。据哈佛大学官网消息,哈佛大学 Wyss 生物创新工程研究所和 John A. Paulson 工程与应用科学学院(SEAS)的 Robert Wood 团队最近已开发出一款新的设计,被称为“milliDelta”机器人。

相关成果发表在国际顶级学术期刊《科学》(Science)于 2016 年底正式创刊的《科学机器人学》(Science Robotics)。

值得一提的是,Delta 机器人问世以来,如何设计出更小尺寸的机器人一直是工程师们的挑战,业界一度认为将其尺寸缩小到毫米级是一项不可能完成的任务。哈佛大学官网称,Robert Wood 团队开发的 milliDelta 正是克服了小型化挑战。

milliDelta 机器人诞生的灵感来源于立体书和折纸。受此启发,Robert Wood 团队在 2011 年开发了一种微制造法,可以将平板复合材料组装成机器人。
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弹出式微电子机械系统(MEMS)制造目前已经被用于构建动态厘米级机器,飞行机器人 RoboBee 即用了该原理。
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在 Robert Woo 团队的最新这项研究中,他们用微制造法开发了尺寸仅为 15 毫米×15 毫米×20 毫米的 milliDelta 机器人。这也就意味着,milliDelta 机器人不过如一枚硬币般大小,可以直接被放进零钱包里。
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研究团队通过整合精密加工技术和高性能复合材料,使 milliDelta 集成了弯曲接头和弯曲制动器,从而快速、有力地在微米精度下进行操作。这些特点帮助 milliDelta 可以胜任制造业和医药行业中一系列需要精密操控的任务。
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Wyss 研究所核心成员 Wood 表示,“缩放物理学告诉我们,缩小 Delta 机器人的尺寸可以提高它们的速度和加速度,弹出式 MEMS 制造法能够使用任何材料或复合材料,或许是解决这个问题的理想途径”。

Wood 还表示,“这种方法也使得我们能够快速完成许多迭代,最终开发出 milliDelta”。

milliDelta 的设计采用具有嵌入式弯曲关节的复合材料层板,其复杂性接近于大型 Delta 机器人。

milliDelta 作为 Delta 机器人的一个极端案例,与其他同类机器人拥有相似的基本结构。不过,机器人的动作由压电执行器控制,而非传统的电动舵机。

施加电压时,压电材料出现膨胀或收缩现象。milliDelta 的手臂一侧带正电,另一侧带负电。电流流过时,机械臂因一侧膨胀、另一侧收缩而出现弯曲。

论文的第一作者 Hayley McClintock 表示,“milliDelta 还利用压电致动器,这样和现有的 Delta 机器人相比,它们的移动频率可以快 15 至 20 倍”。

据 McClintock 描述,“现有的 Delta 机器人只能在几赫兹的频率下工作,而 milliDelta 机器人的表现十分抢眼,它已经能在高达 75 赫兹的频率下绘制圆圈”。
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milliDelta 每秒最多可完成 75 次运动,以至于摄像头拍到的画面都是模糊的。据研发人员介绍,机器人拥有多重用途,从制造微型电路板的装配生产线到微创手术过程,milliDelta 皆可参与。

此外,研究团队还展示出,milliDelta 可以在一个仅 7 立方毫米的工作区内操作,可以施加作用力并显示出轨迹,这些都使其成为工业取放过程中精密操控的理想选择,以及进行例如人类视网膜显微手术这样的的显微外科手术。

研究团队还对 milliDelta 进行了显微外科手术和其他精密操控的首次测试,挖掘它们作为手颤抖消除装置的潜力。

论文的共同第一作者 Fatma Zeynep Temel 博士说,“我们首先绘制了某个人拿着牙签尖端的路径,计算出这些路径,然后将它们输入 milliDelta 机器人,机器人就能够匹配和取消它们”。

研究人员认为,专业的 milliDelta 机器人既可以添加到现有的机器人设备上,也可以开发为独立的设备,例如在科学研究和临床实验室中操作细胞的平台。


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