采用石墨烯和液晶设计的新型软机器人夹持器

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。这项新研究刚刚发表在《ACS应用材料与界面》杂志上。

在我们未来的医院里，软体机器人可能会被用作手术机器人。但在这之前，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，许多当前的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)中的使用相当有限。

由博士候选人LauravanHazendonk、ZafeirisKhalil(作为其硕士研究的一部分)、MichaelDebije和HeinerFriedrich领导的埃因霍温理工大学研究人员设计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夹持器。这为未来此类设备在手术中安全使用提供了可能性。

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。在医院，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。有些人甚至在家里用机器人打扫卫生。

“社会已经变得依赖机器人，我们正在想出新的方法来使用它们，”化学工程和化学系博士研究员VanHazendonk说道。“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。”

软思维

VanHazendonk提到的不同材料包括流体、凝胶和弹性材料，这些材料都很容易变形。“通常，机器人由金属制成，金属既坚硬又坚硬。但在某些应用中，由坚硬材料制成的机器人会限制机器人的性能，”VanHazendonk说。“解决方案是考虑柔软性。”

在软机器人技术中，目标是用流体或凝胶等材料制造机器人，这些材料可以在特定情况下变形，然后可以像用传统刚性和硬质材料制成的机器人一样行动。

软机器人有望产生重大影响的一个领域是外科手术。VanHazendonk补充道：“对于外科医生来说，许多手术可能既复杂又精细，因此需要外科医生拥有精准的灵活性。有时这是不可能的，他们就会求助于机器人。

“但刚性机器人可能无法轻松进入某些区域。这就是软机器人可以脱颖而出的地方，我们的目标是提供潜在的新帮手，例如用于夹紧和缝合手术中使用的设备。”

转向诺贝尔材料

在他们的研究中，VanHazendonk和她的同事选择使用不同类型的可变形材料——液晶——以及石墨烯，制作出一种带有四个可控制和可变形“手指”的软夹持装置或“手”。

有趣的是，在过去30年左右的时间里，液晶和石墨烯都与诺贝尔物理学奖有着直接或间接的联系。早在1991年，皮埃尔-吉尔斯·德·热内斯(Pierre-GillesdeGennes)就因其在液晶等复杂物质中的有序性方面的工作而获奖。2010年，安德烈·海姆(AndreGeim)和康斯坦丁·诺沃肖洛夫(KonstantinNovoselov)因其在石墨烯方面的工作而获奖——石墨烯是一种超强材料，它也是透明的，并且是电和热的有效导体。

“液晶的行为取决于其受到的激发或干扰，表现为液体或固体。当它流动时，它就像液体一样。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，例如在高倍显微镜下在固体材料中看到的晶体，”VanHazendonk解释道。“液晶材料具有这种行为的能力，这对于制造软机器人来说是完美的。”

选定材料后，研究人员开始设计和制作执行器。“执行器控制和调节机器人系统的运动。通常，当通电、通气或通液时，执行器会做出反应或移动，”VanHazendonk说。“在我们的工作中，我们转向使用其他东西来驱动液晶网络(LCN)执行器。”

研究人员设计了一种夹持装置，该装置有四个“手指”，使用LCN执行器进行控制，这些执行器会根据石墨烯基加热元件或夹持器或“手”的手指或轨道上的热量而变形。

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