采用石墨烯和液晶设计的新型软机器人抓手

图片来源：Laura van Hazendonk

埃因霍温的研究人员开发出一种由液晶和石墨烯制成的软机器人 “手”，可用于设计未来的手术机器人。这项新研究成果刚刚发表在《ACS 应用材料与界面》（ACS Applied Materials & Interfaces）杂志上。

在我们未来的医院里，软机器人可能会被用作手术机器人。但在此之前，研究人员需要弄清楚如何精确控制和移动这些可变形的机器人。此外，目前的许多软体机器人都含有金属，这意味着它们在富含水的环境（如人体）中的应用非常有限。

由博士生劳拉-范-哈岑东克（Laura van Hazendonk）、扎菲里斯-哈利勒（Zafeiris Khalil，作为其硕士研究的一部分）、迈克尔-德比耶（Michael Debije）和海纳-弗里德里希（Heiner Friedrich）领导的德国电子科技大学研究人员设计出了一种由石墨烯和液晶（均为有机材料）制成的软机器人手或抓手。这为将来在手术中安全地使用这种设备提供了可能。

机器人对我们的世界有着巨大的影响。例如，在工业领域，机器人制造汽车和电视机。在医院里，机器人（如达芬奇机器人手术系统）协助外科医生进行微创手术。我们中的一些人甚至在家里用机器人进行吸尘器清洁。

“化学工程与化学系的博士研究员范-哈岑东克说：”社会已经开始依赖机器人，我们也在想出新的方法来使用它们。”但在设计新的使用方法时，我们需要考虑使用不同类型的材料来制造它们。”

软性思维

Van Hazendonk所说的不同材料包括流体、凝胶和弹性材料–它们都很容易变形。”通常情况下，机器人是由金属制成的，而金属是刚性的、坚硬的。但在某些应用中，硬质材料制成的机器人会限制机器人的性能，”Van Hazendonk 说。”解决的办法就是软性思维”。

软机器人技术的目标是用流体或凝胶等材料制造机器人，这些材料在某些情况下可以变形，然后可以像用传统的硬质材料制造的机器人一样工作。

软机器人有望产生重大影响的一个领域是外科手术。Van Hazendonk 补充说：”对于外科医生来说，许多手术都可能是复杂而精细的，因此需要外科医生具有精确的灵活性。有时根本无法做到这一点，他们就会求助于机器人。

“但刚性机器人可能也无法轻松进入某些区域。这就是软体机器人的优势所在，我们的目标是提供潜在的新帮手，用于夹持和缝合手术中使用的装置等。”

转向诺贝尔材料

在研究中，Van Hazendonk 和她的同事们选择使用一种不同类型的可变形材料–液晶–以及石墨烯来制造一种软抓取装置或 “手”，这种装置或 “手 “有四个可控制和可变形的 “手指”。

有趣的是，液晶和石墨烯都与过去 30 多年的诺贝尔物理学奖有着直接或间接的联系。早在 1991 年，皮埃尔-吉勒-德-热内斯（Pierre-Gilles de Gennes）就因研究液晶等复杂物质的有序性而获奖。2010 年，安德烈-盖姆（Andre Geim）和康斯坦丁-诺沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）因研究石墨烯而获奖，石墨烯是一种超强材料，同时也是一种透明和有效的电热导体。

“液晶表现为液体或固体，取决于它是如何被激发或扰动的。当它流动时，它的行为就像液体。但在特殊情况下，液体中的分子可以自行排列，形成规则的图案或结构，就像你在强力显微镜下看到的固体材料中的晶体一样，”Van Hazendonk 解释说。”液晶材料具有这种能力，是制造软机器人的最佳选择。

来源：ACS Applied Materials & Interfaces (2024).DOI: 10.1021/acsami.4c06130

致动器挑战

选定材料后，研究人员开始设计和制造致动器。”致动器控制和调节机器人系统中的运动。通常情况下，致动器在通电、通气或通液时作出反应或移动，”Van Hazendonk 说。”在我们的工作中，我们转而使用其他东西来驱动液晶网络（LCN）致动器”。

研究人员设计了一种带有四个 “手指 “的抓手装置，使用 LCN 执行器控制，由于抓手或 “手 “的手指中基于石墨烯的加热元件或轨道受到热量影响而变形。

更多信息

Laura S. van Hazendonk et al, Hot Fingers: Individually Addressable Graphene-Heater Actuated Liquid Crystal Grippers, ACS Applied Materials & Interfaces (2024). DOI: 10.1021/acsami.4c06130