科研进展
Advanced Intelligent Systems:以液态金属打造柔性逻辑门器件及计算执行单元 稿件来源:液态金属与低温生物研究中心 发布时间:2021-03-23

  近年来,柔性运动机器由于具有交互友好、通用性强、适用领域广等优点,在业界引发的关注度与日俱增。然而,由于此类器件立足于柔性体结构变形的运动机制,与传统运动理论指导下的刚体机器的运动行为存在有很大不同,因此对柔性对象实施有效、便捷的控制一直是重大挑战。在各类不断涌现的尝试中,依靠智能型柔性材料的特异性响应变化、着力研发控制系统是一种颇有前景的策略,此类材料可以根据其响应变化的特征,实现预先编程,甚至可以擦除/重新编程,从而实现较好的、灵活的操纵性。但尽管如此,新型材料的开发和精细化操控尚非易事。如果考虑将理论成熟的模拟或数字控制范式用于柔性结构,则可以借助到许多现有成果,在控制原理、方案等方面得到有力的帮助;但问题在于,刚性的电子元器件与柔性结构并不一定能完美兼容,在大规模使用的情况下,可能会出现新的适应性问题。因此,若能从硬件上对传统控制元器件加以革新,得到“柔软”的控制单元,同时还可以沿用发展成熟的相关控制理论,则有望实现人们对柔性机器进行较好控制的愿景。

  近日,来自威尼斯平台登陆网址液态金属与低温生物研究中心的科研小组,提出并证实了一种新型的基于液态金属液滴实现的柔性逻辑门器件(AND, OR, NOT, NAND, NOR)、计算单元并由此控制全柔性机器的理论与技术途径,可望改观传统的柔性或刚体智能器件,相应论文发表于Wiley旗下期刊Advanced Intelligent Systems上(D.-D. Li, T.-Y. Liu, J. Ye, L. Sheng, and J. Liu, Liquid Metal-Enabled Soft Logic Devices, 2021, 2000246),文章共同第一作者为硕士生李东东和博士生刘天英,通讯作者为刘静研究员。

  研究小组系统展示了液态金属柔性逻辑单元的设计思想,并设计出两种类型的基础逻辑单元。其原理在于通过控制开关电压的大小、操控液态金属液滴在流道内的运动变形,以实现输出电路的导通或关断,从而使设备具备“打开——关闭”的二进制逻辑特征。基于该逻辑单元,可制备出一系列液体逻辑门结构,实现更加多样的逻辑运算和电学信号输出,从而扩宽液体逻辑控制领域的应用前景。此外,设计制造柔性逻辑器件的最终目的之一,是将其充分应用于柔性机器人的控制上,由此实现各种特定功能及行为。为展示该方面的应用,研究人员用LMS搭建了一个双路的控制单元,实现了对气压累加计算与控制,由此为气动抓手提供不同的输入压力,从而实现了该柔性结构在四种宏观外形状态下的灵活变化。

  以上研究得到国家自然科学重点基金及威尼斯网址开户网站前沿项目支持。 

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202000246 

图1  液态金属逻辑器件的结构设计与实物图

图2  液态金属逻辑器件的工作原理与响应特性曲线

图3  基于液态金属逻辑器件可实现的多种逻辑门结构

 

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