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  • 理化所等提出研制未來尖端機器人一般原則:液體集成(I-LIFE)

      近日,中國科學院理化技術研究所與清華大學聯合科研小組,基于其長期以來對液態金屬變形效應、經典流體研究特別是液態金屬在柔性機器人領域的基礎探索,首次系統地提出了一種旨在研制未來尖端柔性機器人的一般原則,即:液體集成。相應工作以前瞻性論文形式應邀發表于Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上(T. Y. Liu, P. Qin, J. Liu, Intelligent Liquid Integrated Functional Entity (I‐LIFE): A Basic Way to Innovate Future Advanced Biomimetic Soft Robotics, 2019),并被選為期刊正封面故事(如圖)。文章第一作者為理化所博士生劉天英,通訊作者為理化所研究員劉靜。
     
      自然界動物無與倫比的運動能力,長久以來始終激勵和啟發著人類去打造更為先進的機器人。在迄今已被逐步認識和借鑒的動物形體結構之外,還有哪些重要線索值得人類去學習效仿呢?實際上,只要將人造機器與自然所創造的生命作一對比,就會發現后者體系內總是充滿了大量液體成分如水。也因如此,人類在尋找宇宙生命時,一般都將能否找到水作為生命存在與否的基本判據。正是液體這種精靈般物質的存在,將生物界與了無生氣的機器界從根本上區別開來。那么,生物體特別是動物體內遍布全身的液流系統,會否是引領機器人變革但卻長期被嚴重忽視的基本技術源泉呢?也就是說,要研制前所未有的性能卓越的仿生柔性機器人,或許應該深刻領悟到生物體液系統所提供的重大啟示。最近,聯合小組在這一全新機器人設計原則與基礎技術理念的認識上取得突破。
     
      在此項工作中,作者們指出,自然界眾多巧奪天工的水相內環境生命設計策略完全值得充分借鑒和效仿。沿此基本思想,可發展出一系列變革性機器人設計思路,未來柔性機器人體內將擁有一系列如同生命體系那樣貫穿全身的液體功能單元,并能以無縫方式將整個機體及功能集成到一起,作者為此將其命名為智能液體集成功能體(I-LIFE:Intelligent Liquid Integrated Functional Entity),其縮略語也取“我-生命(I-LIFE)”之意。如果說傳統的硅集成電路是固體集成的話,這里的集成則屬于液體集成,二者目標均在于借助某種統一載體將各種功能單元集成到一起,不同的是前者形成的是芯片,后者則實現的是機器人高級功能單元,類似于仿生型“組織體液”、“血液循環系統”、“組織”、“器官”等。
     
      為闡明機器人液體集成理論體系,論文從五方面代表性功能(圖1),即:運動、能量供應、結構調控、傳感和智能控制等進行了論述,并系統講解如何將液體系統充分介入到各層面,以發揮特定作用的問題。論文進一步列舉了可作為I-LIFE候選液體的潛在對象,如:磁流變液體、液態金屬、離子液體和水等,并解讀了對應流體的技術應用特點。最后,對I-LIFE引申出的理論與技術挑戰進行了剖析,并指出了未來發展的方向。
     
      總的說來,液體集成(I-LIFE)的提出,可望促成柔性機器人研制理念的變革,在此方向上今后還有望發展出更多的理論與技術路線,從而為研制接近動物和人體功能的全新一代尖端柔性機器人打下堅實基礎。
     
      以上工作得到國家自然科學基金委重點項目、中科院院長基金及前沿項目的資助。
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