0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看威廉希尔官方网站 视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

科学家发现可以解释机器人握住湿物体时发生摩擦的新物理定律

hl5C_deeptechch 来源:DeepTech深科技 作者:DeepTech深科技 2021-05-14 14:12 次阅读

一直以来,接触潮湿的表面,对机器人来说是巨大的挑战。

最近,科学家发现了一种新的物理定律,可以解释机器人握住湿物体时发生的摩擦。这种新发现的摩擦机理,可能会促进诞生更适合外科手术的机器人设计。

“我们的工作为在远程手术和制造业等领域创建更可靠、功能更强的触觉和机器人设备打开了大门,” 在和团队发现新的物理规律之后,北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程学助理教授 Lilian Hsiao 表示。

北卡罗莱纳州立大学化学与生物分子工程学的博士毕业生彭云鹄,是发现上述解释机器人摩擦的新物理定律的主要研究人员之一,也是 Lilian Hsiao 课题组的学生,他说该研究将推动众多机器人威廉希尔官方网站 的发展。

近日,其以第一作者身份在《自然・材料》上发表了相关论文,论文题为《机器人和人手指的弹性动力摩擦》(Elastohydrodynamic friction of robotic and human fingers on soft micropatterned substrates)。

摩擦是物理的中心主题之一,摩擦无处不在也非常必要,它能帮助我们握住东西而不会掉落。

尽管机器人设备已经广泛使用,但研发人员很难考虑机器人在抓取物体时产生的摩擦,特别是在潮湿的环境中。不同于人类可以凭直觉去握住湿的物体,以防止物体滑出我们的手。对于机器人而言,这一直是非常困难的挑战。

大多数摩擦滑动的相互作用都涉及到粗糙的表面。这种摩擦过程在物理学中具有基本意义,这早已体现在几个世纪的研究中。它们在当今不同的行业领域也具有重要的实际重要性。

但是,流体耗散、固体变形和局部流动导向效应之间,有着复杂的相互作用,因此人类尚未完全了解图案化表面的润滑滑动。

作为一种特殊摩擦,弹性流体动力润滑摩擦 (elastohydrodynamic lubrication,EHL) 一直难以被研究,它是两个固体表面之间的摩擦类型,固体表面之间会被一层流体隔开。

这种摩擦的常见场景有,当你用指尖互相摩擦时会产生一种摩擦,但是你的皮肤上存在着一层天然油脂的薄层流体。这种摩擦,还常见于沾满洗手液泡沫的双手、以及用手触摸水果店水果去了解成熟度。

人类对于这种摩擦,相对比较可控。这是因为皮肤中的数千上万的触觉机械感受器,可以向神经系统提供必要的反馈,从而能够快速调节握力。

但是,在开发控制机器人抓握能力的材料时,很难处理弹性流体动力润滑摩擦。

想象一下,当截肢患者正在使用机械臂,或者医生正在进行显微外科手术,对于这种摩擦往往很难控制。

举例来说,机器人手臂、以及具备抓握能力的触觉材料,在制备过程中都需考虑到摩擦。但是,由于此前人类对 EHL 的理解有限,研究人员在研发拥有可调摩擦特性的材料、以及使用相关威廉希尔官方网站 时,会受到一定限制,而这会影响触碰屏等器件制造、远程手术等多个领域的应用。

受人类抓取能力的启发,机器人系统的目的是设计具有机械属性、传感器和反馈原理的抓握器,以提高抓握器的稳定性。新兴的触觉威廉希尔官方网站 ,可通过电粘附或超声波振动,来调节摩擦来interwetten与威廉的赔率体系 自然表面的感觉。然而,捕捉真实表面的感觉仍然具有挑战性,因为只要 EHL 仍然存在,这些挑战依然会在。

也就是说,要想制备出能控制 EHL 摩擦的材料,研究人员需要一个可兼容各种样式、各种材料和各种运行条件的框架,而这正是本次研究的初衷。

发现新定律,助力机器人制备

期间,彭云鹄发现一种新定律,该定律可控制图案化表面上的弹性流体动力润滑的峰值摩擦值。在平滑摩擦对中,并不存在峰值摩擦值。因为,这种不同源于在有纹理的表面,流体产生了不同的流动方式。

本次研究中,运用彭云鹄发现的新定律,只要能对物体表面进行构图,即可控制弹性流体动力润滑摩擦,并可将其应用于许多不同的软系统。

通过改变软摩擦对的几何形状、流体特性和弹性,并使用流变仪测量润滑摩擦,即可生成一种框架模型。这款模型能预测生物启发的机器人指尖和人类手指的 EHL 摩擦。

由于其具备广泛适用性,因此可给机械手和抓手的设计提供信息,此外还开辟出一种将摩擦编码转为触觉信号的新方法。

1fc1e118-b479-11eb-bf61-12bb97331649.jpg

图 | 在具有图纹的软物质表面的正压力,摩擦,以及润滑膜厚度在不同滑动速度下的变化(来源:受访者)

只要能对物体的表面进行构图,该定律就可以用来解释 EHL 摩擦,并且可以将其应用到许多不同的软物质系统中。在这种情况下,表面图案可以是任何东西,如从手指尖上略微凸起的表面、到机器人工具表面上的凹槽。

彭云鹄观察到,长度在 10μm 至 100μm 之间的图案,在 EHL 摩擦中滑动到另一个表面时,会在 EHL 摩擦中引入唯一一个局部峰值。

在彭云鹄的系统中,h 被定义为静止模式的顶部和滑动表面的底部之间的距离,然后他使用雷诺兹方程预测了 FS~U/h 和 FN~U/h2。

其中,摩擦空气的体积摩擦系数 μ,由 μ=FS/FN 给出,并且 h 的细小变化也会产生 μ 的实质性变化。虽然可以用专门的双折射和干涉测量来直接测量 h,但这样测量的 h 的分辨率在光学上限制在~3μm 以下。总结来说,这些数值方法提供了一个令人满意的 μ 模型。

其中,他利用四个方程式解释了 EHL 所需的物理力,并分别在三个系统中证明了该规律:人类手指;受生物启发的机器人指尖;以及一个称为摩擦流变仪的工具,该工具可用于测量摩擦力。

从表面上来看,这三种体系从受力面积,表面图案等几方面来看截然不同。尤其是人类以及机器手指两个体系无法像摩擦流变仪一样控制受力。然而,这三个系统的的具体证明过程都有着如下的过程:

为了解这种效果、并为 EHL 摩擦的设计提供指导框架,彭云鹄使用雷诺润滑理论,对剪切力 FS、和法向力 FN 相对于滑动速度 U 和流体膜厚 h 的变化做以建模。

随后他发现,半分析理论、统计分析表明、线性回归和所有实验数据点之间,都具备极好的一致性。

综上所述,针对三个不同系统的适用性,该设计原理可开辟出很多机会,其中包括通过改变软表面图案,来改变润滑摩擦。

这一发现的意义在于,一旦我们对触觉拓宽了认知,机器人就能和潮湿表面进行物理接触,就可诞生出能在潮湿和肮脏的条件下进行抓握的机器人。

该研究显示,三角弓的伸缩行为可扩展到人类和机器人的手指,并阐明了在图案表面的抓取和触觉探索中影响摩擦的因素。

这意味着,本次研究中的框架可研究 EHL 在减小弹性和图案几何形状之间保持平衡的规律,以此解决阻碍 EHL 理论广泛应用的基本挑战,从而推动机器人威廉希尔官方网站 的广泛发展。

在远程外科领域,借助该规律可制备出触觉更强的机器人,从而让外科医生通过远程控制机器人设备、来执行外科手术。

在更广泛的领域如食品设计、化妆品设计、景观演变中,该规律都可扮演重要作用。

谈及未来的落地计划,彭云鹄告诉 DeepTech:“本研究所展示的物理规律确实能够帮助设计更灵敏的机器人手,然而该规律的应用不仅于此,还能够用在日用消费品领域,比如食品和化妆品配方的设计。”

人类的手指其实是含有图纹的软物质,与其同理的是我们的舌尖,人类舌头上的味蕾也可以被看做是含有图纹的软物质。

当我们涂抹化妆品以及咀嚼食物时,不同配方的化妆品和食物会给消费者不同的感受,究其原因就是因为这些过程中产生了不同的 EHL 摩擦。

但是,人类手指由于富含神经,可以感受非常细微的摩擦力的区别,对于舌尖来说,味蕾在咀嚼过程中会产生弯曲从而反馈出不同的摩擦力。

然而人类手指以及味蕾的图纹,有着比较固定的特征长度,依据本次论文中图 4 的结论,我们应该感受到相同的摩擦,那这是否意味着图 4 产生的结论就不适用于此了呢?

并不然。在本次研究中,彭云鹄等人仅仅取了 EHL 摩擦的峰值进行分析。可以预见的是,由于流体粘度以及其他特性的不同,在不同的摩擦速度下运用相同的理论推导方式会产生新的类似于文章中图 4 的模型曲线,从而帮助我们进一步预测不同流体体系下的 EHL 摩擦。

在此情况下,食品以及化妆品领域可以应用本研究中的模型设计出来对应的配方,从而给予消费者特定的摩擦反馈以及特定的感受。

事实上,软物质摩擦学(Soft tribology)在各个领域有着非常广泛的应用前景,除了本文介绍的几个领域之外,该学科还在新型人工关节制造等领域有着相当大的潜力,可以预见的是摩擦学整体在将来会继续蓬勃发展。

原文标题:物理新定律诞生,由中国科学家发现,可帮助机械臂抓住潮湿物体,有望用于机器人远程手术 | 专访

文章出处:【微信公众号:DeepTech深科技】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

责任编辑:haq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 机器人
    +关注

    关注

    211

    文章

    28405

    浏览量

    207012

原文标题:物理新定律诞生,由中国科学家发现,可帮助机械臂抓住潮湿物体,有望用于机器人远程手术 | 专访

文章出处:【微信号:deeptechchina,微信公众号:deeptechchina】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    【「具身智能机器人系统」阅读体验】+初品的体验

    的学习资源,以培养更多的专业人才。随着具身智能机器人威廉希尔官方网站 对社会的影响越来越大,该书还可以向公众普及相关的知识,以提升社会对新威廉希尔官方网站 的认知和接受度,从而为威廉希尔官方网站 的发展创造良好的社会环境。 随着具身智能机器人威廉希尔官方网站
    发表于 12-20 19:17

    《具身智能机器人系统》第1-6章阅读心得之具身智能机器人系统背景知识与基础模块

    要给AI这个聪明的“头脑”装上一副“身体”。这个“身体”可以是一部手机,可以是一台自动驾驶汽车。而人形机器人则是集各类核心尖端威廉希尔官方网站 于一体的载体,是具身智能的代表产品。与传统的软件智能体不同,具身智能
    发表于 12-19 22:26

    【书籍评测活动NO.51】具身智能机器人系统 | 了解AI的下一个浪潮!

    。 这些威廉希尔官方网站 的综合应用使具身智能系统能够进行复杂的环境感知、决策制定和物理操作。例如,通过多模态感知威廉希尔官方网站 ,智能体能够综合视觉、 听觉和触觉数据,更全面地理解和响应其所处的环境。 具身智能通过提高机器人
    发表于 11-11 10:20

    《AI for Science:人工智能驱动科学创新》第二章AI for Science的威廉希尔官方网站 支撑学习心得

    。 4. 物理与AI的融合 在阅读过程中,我对于物理与AI的融合有了更加深入的认识。AI for Science不仅依赖于数据,还需要结合物理定律和原理来确保模型的准确性和可解释性。这
    发表于 10-14 09:16

    英伟达预测机器人领域或迎“GPT-3时刻”

    英伟达,作为全球图形处理器与人工智能领域的佼佼者,正引领着科技界对机器人未来的无限遐想。近日,英伟达高级科学家Jim Fan在科技媒体The Decoder的博文中,以及红杉资本的采访中,大胆预测
    的头像 发表于 09-20 17:05 792次阅读

    Jim Fan展望:机器人领域即将迎来GPT-3式突破

    英伟达科学家9月19日,科技媒体The Decoder发布了一则引人关注的报道,英伟达高级科学家Jim Fan在近期预测,机器人威廉希尔官方网站 将在未来两到三年内迎来类似GPT-3在语言处理领域的革命性突破,他称之为
    的头像 发表于 09-19 15:13 570次阅读

    受人眼启发!科学家开发出新型改良相机

    新型事件相机系统与标准事件相机系统对比图。 马里兰大学计算机科学家领导的一个研究小组发明了一种照相机装置,可以改善机器人观察周围世界并做出反应的方式。受人眼工作原理的启发,他们的创新型照相机系统模仿
    的头像 发表于 07-22 06:24 305次阅读
    受人眼启发!<b class='flag-5'>科学家</b>开发出新型改良相机

    中国科学家发现新型高温超导体

    据新华社报道,我国科学家再立新功,又一新型高温超导体被发现。 复旦大学物理学系赵俊团队利用高压光学浮区威廉希尔官方网站 成功生长了三层镍氧化物,成功证实在镍氧化物中具有压力诱导的体超导电性,而且超导体积分数达到
    的头像 发表于 07-19 15:14 690次阅读

    工业机器人视觉威廉希尔官方网站 的应用分为哪几种?

    机器人可以识别和定位物体的位置、形状、颜色等特征。这些信息可以用于机器人的导航、抓取、装配等任务。 1.1 颜色识别 颜色识别是
    的头像 发表于 07-09 09:38 694次阅读

    天津大学科学家突破人类大脑器官成功驱动机器人

    在科技探索的征途上,天津大学的科研团队再次迈出了令人瞩目的步伐。7月5日,该校宣布了一项革命性的成果——科学家们利用前沿的干细胞威廉希尔官方网站 ,成功培育出了高度模拟人类大脑的类脑器官,并创新性地将其与机器人系统通过先进的片上脑机接口威廉希尔官方网站 紧密相连,开启了人脑与
    的头像 发表于 07-08 16:00 606次阅读

    Al大模型机器人

    理解能力强大: AI大模型机器人可以理解和生成自然语言,能够进行复杂的对话和语言任务。它们能够识别语言中的语义、语境和情感,并据此作出适当的回应。广泛的知识储备: 这些模型基于大规模的数据集进行训练,拥有
    发表于 07-05 08:52

    前OpenAI首席科学家创办新的AI公司

    消息在业界引起了广泛关注,因为苏茨克维曾是OpenAI的联合创始及首席科学家,并在去年在OpenAI董事会上扮演了重要角色。
    的头像 发表于 06-21 10:42 522次阅读

    黄仁勋:新一轮科技浪潮将是物理AI机器人的崛起

    6月5日讯息,英伟达CEO黄仁勋在最近的演讲中大胆预测,AI新纪元将是物理AI,又称实体AI或Physical AI。这种人工智能可以模仿生物行为的实体机器,并协同提升自身的控制、形态、动作执行
    的头像 发表于 06-05 16:32 662次阅读

    DeepMind引领机器人威廉希尔官方网站 革新:从“机器人宪法”到高效决策

    机器人宪法”的灵感来自美国科幻小说家艾萨克·阿西莫夫(Isaac Asimov)提出的“机器人定律”,它被描述为一组“以安全为重点的提示”,指示LLM避免选择涉及人类、动物、尖锐物体
    发表于 01-12 10:32 202次阅读
    DeepMind引领<b class='flag-5'>机器人</b>威廉希尔官方网站
革新:从“<b class='flag-5'>机器人</b>宪法”到高效决策

    科学家研发仿生小鼠机器人,可用于灾后救援和探测检修等领域

    老鼠机器人的潜在应用领域主要集中在复杂狭小地形的灾后救援、探测检修等任务上。这与生物学家利用训练过的非洲大鼠进行类似任务的现实情况相呼应。
    的头像 发表于 12-26 17:00 676次阅读
    <b class='flag-5'>科学家</b>研发仿生小鼠<b class='flag-5'>机器人</b>,可用于灾后救援和探测检修等领域