作者:徐可莹 来源:科学网微信公号 发布时间:2022/1/26 21:11:36
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博士生一作登Nature子刊!超灵巧机械手轻松抓蛋黄

 

仅用一张极小的塑料膜,来设计一款机械手,用它捧起一枚生蛋黄,或捏起一根头发丝,而且,还要抓起自身重量1000倍的物品。

这怎么可能?

最开始,洪尧烨自己也没想到。他是美国北卡罗莱纳州立大学机械及航空航天工程专业的一名博士生。而在今天(1月26日),他以一作的身份,在Nature Communications上发表了一项关于形状可编程材料的研究成果,攻克了上述难题。

论文发表截图

▲蛋黄,头发丝和大力士

在这项研究中,洪尧烨用2D材料制作了一个精巧的机械手,能完好无损地抓起那些易碎的小东西。

这款机械手体格非常小,只有0.4克。但是,它却能抓起我们意想不到的东西。

首先是生蛋黄。

用传统的机械手去抓起一枚生鸡蛋,非常困难,因为在对其施加压力的过程中,很容易把蛋壳弄碎。但是洪尧烨制作出的这款剪纸机械抓手,别说是生鸡蛋了,它甚至能够抓起一枚生蛋黄,而且不会把它弄碎。

抓取时的动态轨迹,很像一双轻柔的手,把物品缓缓绕住,然后捧起它。

这个过程看起来极具美感,像浮动的水母,吞下了一只圆圆的小鱼。而这一切,都仅仅来自于一张再普通不过的pet薄片。

至于为什么要抓生蛋黄,洪尧烨解释道,是为了追求极致。

一开始他们尝试抓豆腐,很轻松。但在考虑生物研究应用的时候发现,很多海洋生物都是凝胶状的,既容易破碎,又很滑。为了更好地验证技术的应用性,他们尝试去抓形态相似的生蛋黄,结果成功了。

其次是头发丝。

这款机械手不仅能够完好无损地抓起易碎品,还能精准抓取一根人类的头发丝。在轻柔度和精确度上,都达到了极致。

图a-b:柔性抓手包裹一条水中的鱼 c:柔性抓手抓取生的鹌鹑蛋黄且不破坏蛋黄的结构 d:柔性抓手抓取人的头发(图片源自论文)

按理说,这么轻巧的一只机械手,应该只能在“小人国”里施展才华,但实际上,它还是当之无愧的“大力士”,能够抓起超过自重1000倍的物品。

为此,洪尧烨做了近1500次实验,让它抓住、移动、放下重达400克的东西。重复这个动作上千次后,机械手仍然完好无损,还能抓。

那么,如果将这款机械手放大,或者替换材料,它是不是就能完成更艰难的任务了?

的确如此。为了帮助理解这项技术的应用前景,洪尧烨的导师、北卡罗莱纳州立大学工学院的副教授尹杰,向《中国科学报》举了很多生动的例子:

“比如摘黑莓、抓鱼,很多需要无损伤采摘的地方,都用得到这项技术。而且因为它是一个环绕状的形态,容量大,一次性能抓的更多,采摘效率也随之提高了。”

尹杰还提到这项技术在可穿戴设备领域的应用前景。基于它的灵活性和高贴合度,未来可以将其集成到柔性机器人技术当中,制作和人体关节高度贴合、能加热的治疗设备。这无疑是很多关节炎、痛风患者的福音。

好用之外,这项技术也很好看。

洪尧烨把它跟视觉艺术结合在一起,做了很多有趣的尝试。比如他借鉴传统川剧中的变脸,做了一套“表情包”,让一张微笑着的人脸瞬间“哭泣”,或者“戴上眼镜”。

图a-c:单向拉伸产生的可变换表情的人脸结构

▲当剪纸艺术,碰上数学灵感

在机械工程领域,能将研究思路转化为实际应用,是衡量研究价值的重要指标。为此,洪尧烨制作出了这款精巧的机械抓手。

那么,他的研究思路是如何成型的呢?要知道,他最初的目标是生蛋,结果做着做着,就连滑溜溜的生蛋黄,都抓起来了。

这可以追溯到一种剪纸艺术——kirigami,它在中国和日本都流传已久。

平时我们常见的3D贺卡,就是这种剪纸技艺在生活中的直观应用。一张2D纸片,能在打开的瞬间,变幻出形态各异的复杂3D体,如同穿透次元的魔术。连科学家都为此着迷。

从2015年开始,科学界就对这种剪纸艺术产生了兴趣,尝试将它和科学结合起来。

《道德经》中有句话,叫“天下之至柔,驰骋天下之至坚”。看似柔软流动的东西,反而拥有无穷的力量。借鉴剪纸艺术,科学家们做出了一些模型,能够实现2D材料到3D结构的转换。

其中比较有代表性的,都是以多边形为单元结构的网格状剪法。这些方法都极为复杂,需要单独对不同局部的剪切进行设计,如形状大小、排列方式等,实在太繁琐了。

于是,洪尧烨和导师讨论,有没有比这个更简单的方法?

做科研和搞艺术有时候很像,比如,灵感常在一瞬间涌入大脑。

洪尧烨在选修的微分几何课上,接触到了高斯-博内定理。他灵光一现,想到可以从边界曲率出发,来控制各个部分变形的动态和轨迹,这样就能避免那些复杂的局部设计了!只需关注剪切处的边界形式,就能得到不同的3D结构。

顺着这个思路,洪尧烨设计出了一种只需考虑边界曲率,就能将2D转为3D的形状可编程材料技术。既创新了理论,又简化了方法。

▲全华人团队,从扎实到极致

洪尧烨在2015年毕业于南京航空航天大学机械工程及自动化专业,后赴美国波士顿大学求学,于2018年获得硕士学位。同年8月,加入尹杰的实验室。

洪尧烨

尹杰的实验室属于全世界最早进行剪纸研究的一批,在此之前就发表过相关成果。

洪尧烨说,这篇论文一开始投过其他期刊,但被拒稿了。因为这是他担任一作的首篇论文,投稿受挫,让他一度陷入沮丧。但尹杰一直鼓励他,坚信这是一项有价值的工作。直到Nature Communications发来橄榄枝。

三位评审专家都对此给出了很高的评价,认为这是一项从理论创新到应用验证的扎实工作,让科学和艺术得到了极致的融合。与此同时,提出了一种比较简单的逆向设计方法,应用前景可观。

这也是尹杰对洪尧烨的评价:有追求极致的热情,也有扎实吃苦的精神。

值得一提的是,这篇最新论文的全部作者都是华人。实际上,尹杰所带的研究生,全部都来自中国。

在尹杰看来,他的每个研究生都像洪尧烨一样,理论功底扎实,勤奋好学。他对这些学生的评价很高,也有着一种天然的责任感,“学生们都处在人生和科研的黄金阶段,身为他们的导师,应该珍惜时间,带领他们多做一些有价值的产出。”

尹杰(右二)和学生们 受访者供图

这种心意体现在很多方面。比如,在全美中奖率只有7%的背景下,洪尧烨的这项工作仍然得到了美国国家科学基金会的资助。

接下来,洪尧烨希望可以在理论上做出更多探索,令其能够适用于更广泛的结构。

论文信息:

https://doi.org/10.1038/s41467-022-28187-x

 
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