人的手臂可以完成一系列极其精细和协调的动作,从转动锁中的钥匙到轻轻地抚摸小狗的皮毛。然而,水下研究潜艇上的机器人“手臂”又硬又不稳定,缺乏技巧,无法在不伤害水母或章鱼等生物的情况下接触它们并与它们互动。此前,哈佛大学Wyss生物启发工程研究所及其合作者开发了一系列柔软的机器人抓手,以更安全地处理脆弱的海洋生物,但这些抓手仍然依赖于坚硬的机器人潜艇手臂,这使得它们很难在水中移动到不同的位置。
现在,Wyss研究所、哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)、巴鲁克学院和罗德岛大学(URI)的科学家们建立了一个新系统,该系统使用配备无线软传感器的手套来控制模块化、柔软的机器人“手臂”,该机器人手臂可以以前所未有的灵活性弯曲和移动,以抓取和取样精致的水生生物。有一天,这个系统可能会使建立基于潜艇的研究实验室成为可能,在那里,科学家们在陆地实验室所做的所有精细任务都可以在海底完成。这项工作的见解可能对医疗设备的应用也有潜在的价值。这项研究发表在科学报告.
“这种新的软机械臂取代了大多数潜水器标准的硬、刚性机械臂,使我们的软机器人抓手能够在各种环境中更轻松地接触海洋生物并与之互动,并允许我们探索目前尚未研究的海洋部分,”URI助理教授布伦南菲利普斯博士说,他是Wyss研究所和SEAS的博士后研究员,当研究完成时。
菲利普斯和他的同事们开发的设备具有弯曲、旋转和抓握模块,可以很容易地添加或移除,使手臂能够根据手头的任务执行不同类型的运动——考虑到海洋中地形和生命的多样性,这是一个显着的好处。与现有的软操纵器相比,其他改进包括一个紧凑而坚固的液压控制系统,用于在偏远和恶劣环境中部署。整个系统所需的功率不到最小的商用深海电子操纵臂的一半,这使得它非常适合用于电池容量有限的载人水下航行器。
科学家戴上装有软传感器的手套,通过无线方式控制手臂的弯曲和旋转。科学家通过移动手腕和弯曲食指来控制手臂的弯曲和旋转。这些动作被转化为系统中海水动力液压发动机中各种阀门的开启和关闭。不同类型的软爪可以连接到手臂的末端,使它能够与不同形状,大小和精致的生物互动,从坚硬的脆珊瑚到柔软的透明水母。
“目前可用的水下机械臂可以很好地用于石油和天然气勘探,但不适用于处理脆弱的海洋生物——使用它们就像试图用金属蟹爪捡起餐巾一样,”合著者David Gruber博士说,他是纽约市立大学巴鲁克学院的生物学教授,也是国家地理探险家。爱博网投领导者“手套控制系统使我们能够更直观地控制柔软的机械臂,就像我们在潜水时如何移动自己的手臂一样。”
机械臂和抓手系统在巴西费尔南多迪诺罗尼亚群岛未开发的深海生态系统中进行了现场测试。它成功地与精致的中水和深海生物互动或收集,如玻璃海绵、海参、分枝珊瑚和自由漂浮的生物发光被囊动物。为了更好地操纵抓手到达目标生物,或者在任何一个模块损坏的情况下,不需要拆除整个手臂,不同的模块可以快速轻松地交换到手臂上。
该论文的资深作者Robert Wood博士说:“这种低功率、手套控制的软体机器人是为未来的海洋生物学家设计的,他们将能够进行远远超出水肺限制的科学研究,并且具有与人类潜水员相当或更好的手段。”Robert Wood博士是Wyss研究所的创始核心成员,也是SEAS工程与应用科学的查尔斯河教授。
研究人员正在继续完善他们的设计,并将非侵入性DNA和RNA采样能力整合到手臂系统的驱动单元中,目标是能够捕捉脆弱的海洋生物,在“水下实验室”进行一系列实验,然后毫发无损地释放它们。
“威斯研究所的目标是让科学发现走出实验室,走向世界,但有时我们必须弄清楚如何修改科学实验室本身,使其能够走出学术界,以便能够探索现实世界的环境。“这项研究标志着深海可能性的开始,他们所描述的进步可能具有更广泛的价值,甚至在医疗和外科应用方面,”医学博士、博士唐纳德·英格伯(Donald Ingber)说。他是威斯研究所的创始主任,也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授,也是波士顿儿童医院血管生物学项目的教授,也是SEAS的生物工程教授。爱博网投领导者
该论文的其他作者包括来自Wyss研究所和SEAS的Kaitlyn Becker、Griffin Whittredge、Daniel Vogt、m.s.、Clark Teeple和Michelle Rosen;日本东京工业大学的Shunichi Kurumaya;Vincent Pieribone博士,John B. Pierce实验室主任,耶鲁大学医学院教授,OceanX公司副主席。
这项研究得到了美国国家科学基金会生物研究仪器开发奖、国家地理创新挑战和OceanX/ Dalio基金会的支持。
故事来源:
材料所提供的Wyss生物启发工程研究所.注:内容可能会根据风格和长度进行编辑。
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