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用于数字和模拟控制的可编程软阀

随着软体机器人领域的发展，器件变得越来越复杂。柔性和半柔性气动机器人现在可以执行具有挑战性的动作（如打电子游戏，弹钢琴等）。软器件的进步带来了更有效的医疗护理（如手部康复，微创内窥镜手术等），另外，其他的发展包括越来越普遍的物体操作能力，以及人类和机器人之间更紧密的联系。然而，许多软器件控制系统仍然依赖于硬阀门和电气控制组件。将控制系统集成到软器件中是实现复杂器件和复杂驱动序列的必要步骤，同时保持软材料提供的优势。早期的流体逻辑，主要是通过微流体芯片实现的。然而，对于软体机器人的大多数应用，缓慢的流速限制了执行器的小尺度力。此外，虽然修改基本系统架构可能使高效逻辑类似于互补金属氧化物半导体（CMOS）类型的系统，但大多数微流体系统在稳态时由于下拉电阻而损失能量，类似于早期的晶体管-晶体管电子逻辑系统。近些年来，开发的多种软阀试图解决微流体的规模和流量限制。此外，研究人员还试图利用多材料3D打印技术来克服微流体振动阀和宏观弹性软阀的局限性，但早期流体逻辑系统的许多局限性仍然存在。

近日，美国莱斯大学Daniel J. Preston和哈佛大学George M. Whitesides团队设计了一种软气动阀。利用了由软材料组成的结构固有的非线性力学，通过利用膜反转和管扭结，开发了两个模块化软部件：活塞致动器和双稳态气动开关。这两个组件结合在一起，创造了能够模拟压力调节、简化数字逻辑、可控振荡、非易失性内存存储、线性驱动的阀门，并以数字和模拟格式与人类用户交互。三个演示展示了由这些阀门构建的系统的能力：1）可穿戴手套，能够基于人类用户手指的输入模拟控制柔软的人工机械手；2）用于医疗护理的人类控制缓冲矩阵：3）无系留的机器人，它在操作时移动动态编程的距离以检索物体。这项工作说明了使用统一阀门设计的软体机器人的数字和模拟互补控制的途径。相关研究发表在《Proceedings of the National Academy of Sciences》上。

文章链接：

C. J. Decker, H. J. Jiang, M. P. Nemitz, et al. Programmable soft valves for digital and analog control[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2022, 119: e2205922119.

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