CN112476405B - 一种软体机器人及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种软体机器人，所述软体机器人的可动部包括：刺激响应变形结构，所述刺激响应变形结构包括至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分，用于通过改变pH值控制所述软体机器人的变形；以及磁性颗粒涂层结构，与所述刺激响应变形结构相互贴合，用于提供预设的磁性材料加载量。

Description

一种软体机器人及其制造方法
技术领域
本公开涉及机器人领域，尤其涉及一种软体机器人及其制造方法。
背景技术
软体机器人是一个新兴领域，相比于传统的刚性机器人，软体机器人具有更好的环境适应性，并且因为具有与生物组织相近的模量，在生物领域的应用更加安全，不会对生物组织造成损伤。具有实际应用的软体机器人需要同时具有高效运动和可控变形的能力。例如微尺寸抓手的抓取动作需要抓手有一定的变形能力，但是微尺寸抓手到达特定的位置需要具有运动能力；微型血管支架在展开过程中需要变形能力，但到达特定的血管位置需要运动能力。因此，同时具有高效运动和可控变形是微型软体机器人在微操作、细胞抓取等方面应用的十分必要的功能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种软体机器人及其制造方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种软体机器人，所述软体机器人的可动部包括：
刺激响应变形结构，所述刺激响应变形结构包括至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分，用于通过改变pH值控制所述软体机器人的变形；以及
磁性颗粒涂层结构，与所述刺激响应变形结构相互贴合，用于提供预设的磁性材料加载量。
根据本公开的实施例，所述至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分包括：
活性层，包括交联密度小于第一交联密度值的第一水凝胶；
非活性层，所述非活性层与所述活性层贴合，包括交联密度大于第二交联密度值的第二水凝胶，其中第一交联密度值≤第二交联密度值。
根据本公开的实施例，所述磁性颗粒涂层结构包括有机聚合物聚乙烯吡咯烷酮(PVP，polyvinyl pyrrolidone)包裹的四氧化三铁颗粒涂层或磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层包括纳米镍颗粒涂层或钛纳米颗粒涂层。
根据本公开的实施例，所述软体机器人的尺寸a约为50-1000μm。
根据本公开的实施例，所述软体机器人的最大运动速度为2.8*aμm/s。
根据本公开的另一个方面，提供了一种如前所述的软体机器人的制造方法，包括：
制备刺激响应变形结构，以及
在刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构。
根据本公开的实施例，所述刺激响应变形结构采用光刻或双光子激光打印加工智能材料制备得到。
根据本公开的实施例，所述磁性颗粒涂层结构采用以下方法制备：
将四氧化三铁颗粒(Fe3O4)分散在乳酸乙酯(EL)中，制备预定浓度的Fe3O4/EL悬浊液；
将制备得到的所述刺激响应变形结构放置于容器中，加入预定量的所述Fe3O4/EL悬浊液；
静置等待所述乳酸乙酯挥发，所述四氧化三铁颗粒沉积在刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构。最后，在磁性颗粒涂层上方制备一层极薄的水凝胶，防止磁性颗粒脱落。
根据本公开的另一个方面，提供了一种采用如前所述的软体机器人的抓手机器人，所述抓手机器人包括；
至少两个指型结构，用于抓取目标物，所述至少两个指型结构包括所述可动部。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开软体机器人至少具有以下有益效果其中之一：
(1)本公开的软体机器人同时具有可控变形和高效运动的能力，本公开的微型软体机器人在微操作、单个细胞抓取等方面具有潜在的应用前景；
(2)采用刺激响应变形结构和磁性颗粒涂层结构组成的微型软体机器人具有很高的磁性材料加载量，具有高效的运动能力。
附图说明
图1a为本公开实施例微型抓手机器人结构三维视图。
图1b为本公开实施例微型抓手机器人结构的俯视图。
图1c为本公开实施例微型抓手机器人结构的侧视图。
图2为本发明实施例的微型软体机器人在酸性溶液和碱性溶液中的形态的示意图。
图3为本发明实施例的微型软体机器人的制备过程示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
10、刺激响应变形结构； 20、磁性颗粒涂层结构
11、活性层； 12、非活性层
f、指型结构
具体实施方式
在之前的研究中，科研工作者利用微纳加工技术配合智能水凝胶材料制备了尺寸在几十微米到几百微米的可变形微型结构，但是这些微型结构缺乏高效的运动能力。磁场驱动微型机器人运动因为具有不接触、可穿透生物组织、可快速改变频率和方向等优点，是非常有优势的驱动方式。因此结合刺激响应变形结构和磁场驱动运动的方式是制备同时具有可控变形和高效运动的一种方式。由于现有的软体机器人多是将磁性纳米颗粒掺杂在微型机器人结构内部，这种方法制备的微型软体机器人由于磁性材料的加载量有限，运动效率比较低。
本公开提供了一种具有磁性响应变形结构和表面颗粒涂层结构的高效磁控运动和可控变形能力的微型机器人。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以由许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的一个示例性实施例中，提供了一种软体机器人。所述软体机器人为微型抓手机器人。
图1a为本公开实施例微型抓手机器人结构三维视图。图1b为本公开实施例微型抓手机器人结构的俯视图。图1c为本公开实施例微型抓手机器人结构的侧视图。如图1a-图1c所示，本公开微型抓手机器人包括多个指型结构，所述指型结构为可动部，包括刺激响应变形结构和磁性颗粒涂层结构。本实施例中，所述软体机器人的尺寸a在约为70-80μm。在其他实施例中，根据软体及机器人设计尺寸的不同，所述软体机器人尺寸可以扩展为50-1000μm。
本实施例的微型抓手机器人由4个指型结构组成，每个指型结构包括刺激响应变形结构10和磁性颗粒涂层结构20。刺激响应变形结构10包括活性层11和非活性层12，由于活性层11和非活性层12在酸性溶液(pH＜7)和碱性溶液(pH＞10)中的溶胀程度不同，因此，改变溶液的pH值可以刺激微型抓手完成“开-关”的过程。
具体地，所述刺激响应变形结构10包括至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分，用于通过改变pH值控制所述软体机器人的变形。所述至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分包括活性层与非活性层。
所述活性层11包括交联密度小于第一交联密度值的第一水凝胶。
所述非活性层12与所述活性层11贴合，包括交联密度大于第二交联密度值的第二水凝胶，其中第一交联密度值≤第二交联密度值。
由于高交联密度水凝胶和低交联密度水凝胶的在pH刺激下具有不同的溶胀程度，因此改变pH值可以控制机器人的变形。
磁性颗粒涂层结构20与所述刺激响应变形结构10相互贴合，用于提供预设的磁性材料加载量。所述的磁性颗粒涂层结构20赋予微型软体机器人磁性和在磁场下可控运动的能力。
可以理解的是，本实施例中，活性层11与磁性颗粒涂层结构20紧密贴合，非活性层12与活性层11紧密贴合。在其他实施例中，所述活性层11和非活性层12的位置是可以互换的，也就是说可以采用非活性层11与磁性颗粒涂层结构20紧密贴合的方式设置，甚至可以其中部分指型结构是活性层11与磁性颗粒涂层结构20贴合，其他指型结构是非活性层12与磁性颗粒涂层结构20贴合。上述结构的实现是由于双光子3D打印是点成型的过程，可以根据激光功率和扫描速度改变随时改变每一点的水凝胶的交联密度。
图2为本发明实施例的微型软体机器人在酸性溶液和碱性溶液中的形态的示意图。
在一些实施例中，所述微型软体机器人的运动速度可以达到2.8体长/s。
根据本公开的又一个实施例，提供了一种软体机器人的制造方法，图3为本发明实施例的微型软体机器人的制备过程示意图。
如图3所示，所述微型软体机器人的制备过程包括刺激响应变形结构的制备以及在刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构的过程。
其中，所述刺激响应变形结构的制备方法可以但不限于通过双光子三维激光直写技术打印或光刻制备得到微米尺寸的结构。
示例性的，采用双光子激光打印加工智能材料制备刺激响应变形结构包括清洗玻璃片-滴胶-双光子打印等步骤。
所述磁性颗粒涂层结构采用有机聚合物PVP包裹的四氧化三铁颗粒，通过以下方法制备：
将四氧化三铁颗粒分散在乳酸乙酯中，制备预定浓度的Fe3O4/EL悬浊液；
将制备得到的所述刺激响应变形结构放置于一个长宽高为10*10*6mm的容器中，加入预定量的所述Fe3O4/EL悬浊液；
静置等待所述乳酸乙酯挥发，所述四氧化三铁颗粒沉积在刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构。最后，在磁性颗粒涂层上方制备一层极薄的水凝胶，防止磁性颗粒脱落。
为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种软体机器人，其特征在于，所述软体机器人的可动部包括：
刺激响应变形结构(10)，所述刺激响应变形结构(10)包括至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分，用于通过改变pH值控制所述软体机器人的变形；以及
磁性颗粒涂层结构(20)，与所述刺激响应变形结构(10)相互贴合，用于提供预设的磁性材料加载量；
其中，所述磁性颗粒涂层结构(20)通过如下方式形成：
将四氧化三铁颗粒(Fe3O4)分散在乳酸乙酯(EL)中，制备预定浓度的Fe3O4/EL悬浊液；
将制备得到的所述刺激响应变形结构放置于容器中，加入预定量的所述Fe3O4/EL悬浊液；
静置等待所述乳酸乙酯挥发，所述四氧化三铁颗粒沉积在所述刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构。
2.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述至少两个在预定pH下具有不同的溶胀程度的部分包括：
活性层(11)，包括交联密度小于第一交联密度值的第一水凝胶；
非活性层(12)，所述非活性层(12)与所述活性层(11)贴合，包括交联密度大于第二交联密度值的第一水凝胶，其中第一交联密度值≤第二交联密度值。
3.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述磁性颗粒涂层结构(20)包括有机聚合物PVP包裹的四氧化三铁颗粒涂层或磁性纳米颗粒涂层，所述磁性纳米颗粒涂层包括纳米镍颗粒涂层或钛纳米颗粒涂层。
4.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述软体机器人的尺寸a为50-1000μm。
5.根据权利要求 4所述的软体机器人，其特征在于，所述软体机器人的最大运动速度为2.8*aμm/s。
6.一种如权利要求1-5任一项所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，包括：
制备刺激响应变形结构，以及
在刺激响应变形结构的表面，形成磁性颗粒涂层结构。
7.根据权利要求6所述的软体机器人的制造方法，其特征在于，所述刺激响应变形结构通过光刻或双光子激光打印加工智能材料制备得到。
8.一种采用如权利要求1-5任一项所述的软体机器人的抓手机器人，其特征在于，所述抓手机器人包括；
至少两个指型结构，用于抓取目标物，所述至少两个指型结构为所述可动部。
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