近年來，柔性運(yùn)動(dòng)機(jī)器因具有交互友好、通用性強(qiáng)、適用領(lǐng)域廣等優(yōu)點(diǎn)，引起業(yè)界關(guān)注。然而，由于此類器件立足于柔性體結(jié)構(gòu)變形的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，與傳統(tǒng)運(yùn)動(dòng)理論指導(dǎo)下的剛體機(jī)器的運(yùn)動(dòng)行為存在不同，因而對(duì)柔性對(duì)象實(shí)施有效、便捷的控制是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。在各類嘗試中，依靠智能型柔性材料的特異性響應(yīng)變化、著力研發(fā)控制系統(tǒng)是頗有前景的策略，此類材料可根據(jù)其響應(yīng)變化的特征，實(shí)現(xiàn)預(yù)先編程，甚至可以擦除/重新編程，從而實(shí)現(xiàn)較好的、靈活的操縱性，但新型材料的開發(fā)和精細(xì)化操控尚非易事。如果考慮將理論成熟的模擬或數(shù)字控制范式用于柔性結(jié)構(gòu)，則可以借助到許多現(xiàn)有成果，在控制原理、方案等方面得到有力的幫助；而剛性的電子元器件與柔性結(jié)構(gòu)并不一定能完美兼容，在大規(guī)模使用的情況下，可能會(huì)出現(xiàn)新的適應(yīng)性問題。因此，若能從硬件上對(duì)傳統(tǒng)控制元器件加以革新，得到“柔軟”的控制單元，還可以沿用發(fā)展成熟的相關(guān)控制理論，則有望實(shí)現(xiàn)人們對(duì)柔性機(jī)器進(jìn)行較好控制的愿景。

近日，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所液態(tài)金屬與低溫生物研究中心提出并證實(shí)了一種新型的基于液態(tài)金屬液滴實(shí)現(xiàn)的柔性邏輯門器件（AND、OR、NOT、NAND、NOR）、計(jì)算單元并由此控制全柔性機(jī)器的理論與技術(shù)途徑，可望改觀傳統(tǒng)的柔性或剛體智能器件，相關(guān)研究成果發(fā)表在Advanced Intelligent Systems上。

研究系統(tǒng)展示了液態(tài)金屬柔性邏輯單元的設(shè)計(jì)思想，并設(shè)計(jì)出兩種類型的基礎(chǔ)邏輯單元。其原理在于通過控制開關(guān)電壓的大小、操控液態(tài)金屬液滴在流道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)變形，以實(shí)現(xiàn)輸出電路的導(dǎo)通或關(guān)斷，從而使設(shè)備具備“打開-關(guān)閉”的二進(jìn)制邏輯特征?；谠撨壿媶卧?，可制備出一系列液體邏輯門結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)更多樣的邏輯運(yùn)算和電學(xué)信號(hào)輸出，從而擴(kuò)寬液體邏輯控制領(lǐng)域的應(yīng)用前景。此外，設(shè)計(jì)制造柔性邏輯器件的最終目的之一，將其充分應(yīng)用于柔性機(jī)器人的控制上，由此實(shí)現(xiàn)各種特定功能及行為。為展示該方面的應(yīng)用，研究用LMS搭建了一個(gè)雙路的控制單元，實(shí)現(xiàn)了對(duì)氣壓累加計(jì)算與控制，由此為氣動(dòng)抓手提供不同的輸入壓力，從而實(shí)現(xiàn)了該柔性結(jié)構(gòu)在四種宏觀外形狀態(tài)下的靈活變化。

碩士研究生李東東和博士研究生劉天英為論文的共同第一作者，研究員劉靜為論文通訊作者。研究工作得到國家自然科學(xué)重點(diǎn)基金與中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃的支持。

論文鏈接

圖1.液態(tài)金屬邏輯器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)物圖

圖2.液態(tài)金屬邏輯器件的工作原理與響應(yīng)特性曲線

圖3.基于液態(tài)金屬邏輯器件可實(shí)現(xiàn)的多種邏輯門結(jié)構(gòu)