Responsive Hydrogel-based Modular Microrobots for Multi-functional Micromanipulation

📄 arXiv: 2311.13809v1 📥 PDF

作者: Liyuan Tan, David J. Cappelleri

分类: cs.RO

发布日期: 2023-11-23

备注: 15 pages, 7 figures

💡 一句话要点

提出模块化水凝胶微机器人以解决多功能微操控问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 微机器人 水凝胶 模块化设计 生物医学 微操控 刺激响应 末端执行器

📋 核心要点

  1. 现有微机器人多为单一结构，功能和适用场景受限，无法满足复杂的生物医学需求。
  2. 提出模块化微机器人，采用刺激响应水凝胶和可更换的末端执行器，提升微操控的灵活性和多样性。
  3. 实验表明，模块化微机器人能够完成多种微操控任务，展示了其在生物医学领域的应用潜力。

📝 摘要（中文）

微机器人在生物医学应用中展现出巨大潜力，如药物输送和细胞操控。然而，现有微机器人大多为单一实体，功能受限。本文提出了一种模块化微机器人，整体尺寸为120 μm × 200 μm，采用刺激响应水凝胶制成的响应配件和特定应用的末端执行器，适用于微组装任务。通过光刻和双光子聚合技术，分别或结合制造出两种类型的模块化微机器人，前者的配件在刺激下收缩，后者则具备双层结构实现开合运动。本文展示了在相同驱动基础上更换末端执行器的能力，并使用不同类型的末端执行器完成多种操控任务。

🔬 方法详解

问题定义：当前微机器人主要以单一实体形式存在，功能受限，难以适应多样化的微操控需求，尤其是在生物医学领域。

核心思路：本文提出的模块化微机器人设计允许通过更换末端执行器来实现多功能操作，利用刺激响应水凝胶的特性，增强微机器人的适应性和灵活性。

技术框架：整体架构包括模块化设计、刺激响应配件和末端执行器的组合。微机器人通过光刻和双光子聚合技术制造，分为两种类型，分别实现不同的运动功能。

关键创新：最重要的创新在于模块化设计和响应配件的结合，使得微机器人能够在相同的驱动基础上实现多种功能，显著提升了其应用范围。

关键设计：微机器人采用的水凝胶材料具有良好的刺激响应特性，设计了可收缩的配件和双层结构以实现开合运动，确保了在微操控任务中的高效性和灵活性。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，模块化微机器人在多种微操控任务中表现出色，能够在相同驱动基础上快速更换末端执行器，提升了操作的灵活性和效率。具体性能数据尚未提供，但相较于传统单一微机器人，功能多样性显著提升。

🎯 应用场景

该研究的模块化微机器人在生物医学领域具有广泛的应用潜力，包括药物输送、细胞操控和微组装等。其灵活的设计和多功能性使其能够适应不同的操作需求，未来可能在精准医疗和生物制造等领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

Microrobots show great potential in biomedical applications such as drug delivery and cell manipulations. However, current microrobots are mostly fabricated as a single entity and type and the tasks they can perform are limited. In this paper, modular microrobots, with an overall size of 120 $μ$m $\times$ 200 $μ$m, are proposed with responsive mating components, made from stimuli-responsive hydrogels, and application specific end-effectors for microassembly tasks. The modular microrobots are fabricated based on photolithography and two-photon polymerization together or separately. Two types of modular microrobots are created based on the location of the responsive mating component. The first type of modular microrobot has a mating component that can shrink upon stimulation while the second type has a double bilayer structure that can realize an open and close motion. The exchange of end-effectors with an identical actuation base is demonstrated for both types of microrobots. Finally, different manipulation tasks are performed with different types of end-effectors.