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前沿洞察丨3D打印出奇迹,太空中也能制造器官

2020-11-18来源:望潮科技
核心摘要:本期前沿洞察为大家带来这些新鲜技术:可以在太空中制造器官的细胞培养系统;能挖隧道,可军用的软体机器人;人造肌肉和象鼻一样灵活的柔性机器人......
      本期前沿洞察为大家带来这些新鲜技术:可以在太空中制造器官的细胞培养系统;能挖隧道,可军用的软体机器人;人造肌肉和象鼻一样灵活的柔性机器人......

一起来看看吧:

能在太空中制造器官的系统

3D 打印人体器官的最佳地点其实是在太空。2019 年,科学家为国际空间站开发了一台「3D 生物制造设备」(3D BioFabrication Facility,简称 BFF)。这是世界上第一台能够在太空中制造人体组织的 3D 打印机,于 2019 年 7 月搭载 SpaceX 公司的货运飞船到达国际空间站。在无重力条件下打印人体组织听起来很酷,但科学家们为什么会做这样的尝试呢?

在微重力条件下培养的细胞不会形成二维层,并且能在没有支架的情况下保持理想的形状。它们被带回地球后会如何。事实上,重力的增加确实会对这些生物打印的组织结构施加很大的物理压力。

Techshot 是一家与美国国家航空航天局合作设计 BFF 的公司,开发了一种细胞培养系统,可以使组织变硬,使其在一定程度上抵抗重力的影响。活组织的生物打印可以在一天内完成,然后放置在这个该系统中,进行 12 到 45 天的强化。经过这一成熟过程,新的生物打印组织会变得更健康,功能更强,更有活力,能够承受返回地球的旅程。

能挖隧道,可军用的软体机器人

近日,美国通用电气公司(General Electric Company,GE)更是受到蚯蚓和树根的启发,为现实版「神盾局」——美国国防部高级研究计划局(Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)研发了一款用于军事行动的快速隧道挖掘机器人。

该项目的目标是,在存在争议的环境中开发并展示快速建立的地下基础设施的战术用途。快速钻出战术隧道,有利于紧急军事行动,比如可以实现快速弹药补给、救援任务或其他紧急需求。

这种机器人能够灵活地做出急转弯、在狭窄的空间中穿梭、灵活地拾取或移动大小、形状迥异的物体。他们设计了一个几英尺长的机器人原型,其液压人工肌肉可以模仿蚯蚓在土壤中移动的敏捷性,同时也拥有着树根穿透软岩石的力量。

在实验室里,GE Research 演示了机器人原型穿越土壤的过程。目前看来,机器人能以 10 厘米/秒的速度移动,一次能挖掘一条长 500 米、直径至少 10 厘米的隧道。

这一项目将会持续 15 个月,目前这种软体机器人也还是处于实验室阶段,究竟三个执行团队最终会向 DARPA 拿出怎样的方案,目前还是未知数。

哈工大造出柔性机器人,人造肌肉能和象鼻一样灵活

哈尔滨工业大学冷劲松教授团队与美国马里兰大学 Norman M. Wereley 教授团队受象鼻的启发,基于气动人工肌肉(Pneumatic artificial muscles,PAMs),研制出了一种新型柔性机器人。

该团队在可伸展/收缩的气动人工肌肉的基础上设计了新型的弯曲螺旋可伸展/收缩气动人工肌肉(HE-PAMs/HC-PAMs)。

根据论文,HE-PAMs/HC-PAMs 主要是由端部配件、弹性管、编织管和嵌入式柔性框架组成。

当 HE-PAMs/HC-PAMs 膨胀时,将产生绕轴的弯曲、旋转运动,使致动器产生螺旋变形,类似我们曾在动物园见过的象鼻弯曲旋转的运动过程。

而区分伸展还是收缩,主要取决于「编织角度」——编织角度 > 54.74 度时为 HE-PAMs(下图 i);编织角度 < 54.74 度时为 HC-PAMs。

在此基础之上,研究团队通过一个仿象鼻的高自由度柔性臂来探索 HE-PAMs/HC-PAMs 在柔性机器人领域的潜在应用。研究人员表示,HC-PAMs 输出、负载能力很强,而 HE-PAMs 可产生更多的变形。

值得一提的是,这一研究提出了统一的理论方法,将会为其他研究人员提供可靠的参考——该团队通过实验、分析,建立了气动人工肌肉的广义弯曲行为模型,并在相同的理论框架下研究了轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉的特性。

据了解,轴向、弯曲和螺旋气动人工肌肉可以广泛地应用于各个方向,比如软体分类机器人、搜索机器人、生物机器人、运动辅助外骨骼、力反馈可穿戴设备等等。

(责任编辑:小编)
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