Ultraschnell klein

Sep 05, 2023

Nature Communications Band 13, Artikelnummer: 4456 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Fortbewegung mit hoher Geschwindigkeit ist eine wesentliche Überlebensstrategie für Tiere und ermöglicht die Besiedlung rauer und unvorhersehbarer Umgebungen. Auch bioinspirierte Softroboter profitieren von vielseitigen und ultraschnellen Bewegungen, erfordern jedoch geeignete Antriebsmechanismen und Gerätedesigns. Hier präsentieren wir eine Klasse kleiner weichelektromagnetischer Roboter aus gebogenen Elastomer-Doppelschichten, angetrieben durch Lorentz-Kräfte, die auf eingebettete gedruckte Flüssigmetallkanäle wirken, die Wechselströme mit Antriebsspannungen von mehreren Volt in einem statischen Magnetfeld transportieren. Ihr dynamisches Resonanzverhalten wird experimentell und theoretisch untersucht. Diese robusten und vielseitigen Roboter können gehen, rennen, schwimmen, springen, steuern und Fracht transportieren. Ihre angebundenen Versionen erreichen ultrahohe Laufgeschwindigkeiten von 70 BL/s (Körperlängen pro Sekunde) auf 3D-gewellten Substraten und 35 BL/s auf beliebigen ebenen Substraten, während ihre maximale Schwimmgeschwindigkeit im Wasser 4,8 BL/s beträgt. Darüber hinaus laufen und schwimmen prototypische ungebundene Versionen mit einer Höchstgeschwindigkeit von 2,1 BL/s bzw. 1,8 BL/s.

Natürliche Organismen wie Geparden, Kaninchen oder Kakerlaken nutzen schnelle Fortbewegung als eine ihrer wichtigsten Überlebensstrategien, um nach Nahrung zu suchen oder vor Raubtieren zu fliehen. Die relative Geschwindigkeit in Form von Körperlängen (BL) pro Sekunde quantifiziert die Geschwindigkeit verschiedener Organismen über ein großes Spektrum von Körpergrößen hinweg und kann für die Milbe Paratarsotomus Macropalpis1 bis zu 323 BL/s betragen. Die Technologie erreicht Hochgeschwindigkeitsfortbewegung hauptsächlich durch große Maschinen (BL > 100 mm) und Hochleistungsmotoren (wie Verbrennungs- oder Elektromotoren), was zu Formel-1-Autos (50 BL/s) oder vierbeinigen Robotern2 führt 9,1 BL/s. Allerdings ist die Konstruktion von Hochgeschwindigkeits-Kleinrobotern (1 mm < BL ≤ 100 mm) aufgrund der Schwierigkeiten bei der Miniaturisierung herkömmlicher Hochleistungsmotoren und Getriebesysteme eine Herausforderung. Einfache Strukturen aus intelligenten Materialien bieten alternative Möglichkeiten zum Bau miniaturisierter Roboter. Bleizirkonat-Titanat (PZT)3 und Formgedächtnislegierungen (SMA)4 sind zwei repräsentative starre intelligente Materialien, die in millimetergroßen Robotern eingesetzt werden, aber entweder zu kleine Betätigungshübe oder zu niedrige Frequenzen aufweisen, um eine Fortbewegung mit hoher Geschwindigkeit zu ermöglichen. Die aufkommende Robotik und Mensch-Roboter-Interaktion erfordern darüber hinaus weiche, sichere, schnelle und robuste Designs, die in rauen, dynamischen Umgebungen eingesetzt werden können. Ein extremes Beispiel ist ein menschlicher Magen, der während der Verdauung einer mechanischen Kompression ausgesetzt ist und saure Flüssigkeiten enthält. Die Vorbeugung oder Behandlung von Erkrankungen des Magen-Darm-Trakts fördert die Entwicklung weicher Miniroboter für die Medikamentenabgabe oder nicht-invasive Chirurgie5.

Um diese Probleme anzugehen, sind weiche, intelligente Materialien für die Robotik entstanden, wie zum Beispiel auf Temperatur reagierende Polymerfasern6, auf den pH-Wert reagierende Polymergele7, auf Licht reagierende Flüssigkristallpolymere8 und auf elektrische/magnetische Felder reagierende Materialien9,10,11,12,13. Allerdings beruhen thermoresponsive Polymerfasern und pH-responsive Polymergele auf der langsamen Diffusion von Ionen oder Wärme und sind daher nicht schnell genug für die schnelle Fortbewegung in Robotern. Auf Licht reagierende Flüssigkristallpolymere8 können bei Frequenzen über 10 Hz aktiviert werden, aber der Bedarf an modulierter Beleuchtung und transparenten Umgebungen schränkt ihre Anwendungsmöglichkeiten ein14. Auf elektrische/magnetische Felder reagierende Elastomere wie dielektrische Elastomere (DE) und weichmagnetische Elastomere (SME) zeichnen sich typischerweise durch schnelle Reaktionszeiten mit Vibrationen im kHz-Bereich9,10,11,12 aus. Nachteile von DEs sind ihre hohen Betätigungsspannungen (im kV-Bereich), die potenzielle Sicherheitsprobleme mit sich bringen und die Miniaturisierung behindern. KMU-Roboter sind sicher, reagieren schnell und lassen sich leicht miniaturisieren, haben jedoch Schwierigkeiten mit Mehrmodul- oder Schwarmroboterdesigns, da sie globale, dynamisch abstimmbare Magnetfelder benötigen14,15,16. Weiche elektromagnetische Aktuatoren (SEMA), die aus in Elastomersubstraten eingebetteten Flüssigmetallspulen (LM) bestehen, sind lokal besser steuerbar und weisen eine hohe Leistung in einem starken statischen Magnetfeld auf, wie es beispielsweise in einem Magnetresonanztomographiegerät (MRT) vorhanden ist9. Fortschritte im LM-3D-Druck ermöglichen die Miniaturisierung von SEMAs auf mindestens einen Millimeterbereich und eröffnen Möglichkeiten für die Hochgeschwindigkeitsbewegung in mikrometer- bis zentimetergroßen Soft-Robotern17.

Hier entwickeln wir eine Reihe ultraschneller, robuster und vielseitiger weicher elektromagnetischer Roboter (SEMRs) im kleinen Maßstab, die laufen, rennen, springen, schwimmen, steuern und sogar Fracht transportieren und freigeben können. Dies wird durch Fortschritte in der Fertigung, dem Roboterdesign und der Modellierung erreicht, die insgesamt die Roboterleistung steigern und bei Ausstattung mit einer miniaturisierten, energieautarken Steuerung sogar einen ungebundenen Betrieb ermöglichen. Die Herstellung (Abb. 1a) nutzt das Drucken von LM-Spulen auf Elastomersubstraten, was die gleichzeitige selektive Steuerung verschiedener Abschnitte des Roboterkörpers ermöglicht und so das Lenken und Transportieren von Fracht ermöglicht. Eine Elastomerdoppelschicht mit Dehnungsfehlanpassung führt zu einem gekrümmten Roboterkörper, der laufen kann, wenn er einem zeitlich veränderlichen Strom in einem statischen Magnetfeld und einer geeigneten Fußkonstruktion ausgesetzt wird. Wir stellen zwei Arten von SEMR-Füßen vor: sägezahnförmige Füße für asymmetrische 3D-gedruckte Substrate und L-förmige Füße für planare Substrate. Beide sind in Abb. 1a mit SEMR TST (angebundene, sägezahnförmige Füße) und SEMR TL (angebundene, L-förmige Füße) dargestellt. Die Fortbewegung von SEMRs wird in der Nähe der mechanischen Resonanzfrequenz ultraschnell, wie in Experimenten gezeigt und durch analytische und numerische Modellierung unterstützt. Wir zeigen, dass SEMRs mit einer ultraschnellen Relativgeschwindigkeit von 70 BL/s laufen, etwa 17,5-mal schneller als frühere Roboter mit weichem Körper, schneller als elektromagnetische Roboter im Zentimetermaßstab und die meisten Tiere (Abb. 1b). Darüber hinaus ist derselbe SEMR auch in der Lage, mit einer hohen Relativgeschwindigkeit von 4,8 BL/s zu schwimmen, was im Vergleich zu anderen Wasserrobotern und -tieren günstig ist (Ergänzende Abbildung 1, Ergänzende Tabelle 2).

ein Schema des Herstellungsprozesses. LM-Spulen werden auf eine vorgestreckte Elastomerfolie gedruckt. Anschließend wird die Elastomer-Vorläuferlösung mittels Stabbeschichtung auf die LM-Spulen aufgetragen, wodurch eine Doppelschichtstruktur entsteht, aus der der Roboterkörper herausgeschnitten wird. Abschließend werden sägezahnförmige oder L-förmige Füße angebracht. Zur Betätigung werden die Roboter über Elektroden an die externe Stromversorgung angeschlossen. b Maximale Laufgeschwindigkeiten repräsentativer Säugetiere, Arthropoden, Soft-Roboter und Roboter im Verhältnis zur Körperlänge. Die schattierten Bereiche umfassen die Bereiche für verschiedene Kategorien, wie durch die Symbole in der Legende angegeben, und für unsere SEMRs, die mit Sternen gekennzeichnet sind. Die maximale relative Geschwindigkeit unserer SEMRs beträgt 70 BL/s, fast 17,5-mal höher als bei den bisherigen Weichkörperrobotern, schneller als zentimetergroße elektromagnetische Roboter und die meisten schnellen Tiere. Zwei Sterne mit der höheren Geschwindigkeit entsprechen angebundenen SEMRs, und zwei langsamere Sterne entsprechen nicht angebundenen Robotern. Einzelheiten finden Sie in der Ergänzungstabelle 1.

Das vielseitige Design der LM-Kanäle in SEMRs wird durch einen 3D-DIW-Drucker (Direct Ink Writing)18 (ergänzende Abbildung 2) bereitgestellt, der LM-Drähte mit einer Auflösung von bis zu 100 µm produzieren kann (ergänzende Abbildung 3). Um die LM-Kanäle mit externer Energie zu verbinden, führen wir Elektroden in den SEMA/SEMR-Körper ein und versiegeln sie mit Elastomer (ergänzende Abbildung 4). Die Robustheit und Funktionalität unseres Fertigungsschemas wurden in Biegetests mit zwei kleinen SEMAs mit einer Größe von 9 mm × 9 mm × 0,8 mm untersucht (ergänzende Abbildung 5). Hier wiegt SEMA 1 96 mg, während SEMA 2 aufgrund einer Aussparung in der Mitte noch leichter ist. Beide Aktuatoren werden von einem speziellen Pulsweitenmodulations-Controller (PWM) angetrieben (ergänzende Abbildung 6) und auf einem Permanentplattenmagneten platziert (Magnetfeld etwa 0,3 T an seiner Oberfläche, ergänzende Abbildung 7a). Während die horizontale Verschiebung der Spitze bei SEMA 1 bei Ansteuerung mit einem konstanten Strom von 1 A 4,5 mm beträgt, ermöglicht das leichtere Design von SEMA 2 eine erhöhte Verschiebung von bis zu 6,4 mm aufgrund einer Verringerung der Biegesteifigkeit (ergänzende Abbildung). 7b–d). Dynamische Tests mit den SEMAs, die durch einen Rechteckstrom angetrieben werden (Ergänzungsbild 7e, Zusatzfilm 1), ergeben eine hohe horizontale Spannweite von mehr als 6,3 mm bei einem relativ kleinen Strom (0,1 A, 8 Hz) für SEMA 2 mit der Aussparung Geometrie (Ergänzende Abb. 7f). Wir charakterisieren den SEMA-Temperaturanstieg beim Betrieb in Luft (ergänzende Abbildung 8a), da dieser für hohe Antriebsströme von entscheidender Bedeutung ist. Bei Strömen von 0,1 A, 0,3 A und 0,5 A stellen wir in Langzeittests (>1000 s) einen Temperaturanstieg von 1,3 °C, 10,9 °C und 27,5 °C fest. Die Aktuatoren bleiben voll funktionsfähig und diese Joule-Erwärmung kann durch ein besseres Spulendesign, beispielsweise durch eine Erhöhung der Anzahl der Spulenwindungen, weiter verringert werden, wie im Ergänzungstext erläutert.

Das SEMR-Design basiert auf dem Prinzip eines zweidimensionalen SEMA, jedoch mit wesentlichen Modifikationen, die ihnen einen Hochgeschwindigkeits-Fortbewegungsmechanismus verleihen. Die in der ergänzenden Abbildung 9a gezeigten flachen SEMAs sind bei Geometrien, bei denen die LM-Spule senkrecht zur Richtung des Magnetfelds ausgerichtet ist, nur zu kleinen Verformungen in der Ebene fähig. Unter diesen Bedingungen hat der Roboter Schwierigkeiten, sich zu verformen, geschweige denn zu gehen. In Anbetracht der Tatsache, dass viele Tiere und die meisten Soft-Roboter die Expansion/Kontraktion ihres gekrümmten Körpers 8,12,19,20 für eine schnelle Fortbewegung nutzen, stellten wir die Hypothese auf, dass gebogene Elastomer-Doppelschichtfilme (ergänzende Abbildung 9b) mit eingebetteten LM-Kanälen Hochgeschwindigkeits-Soft ermöglichen elektromagnetische Aktoren. Hierzu sind fehlangepasste Spannungen im Doppelschichtfilm unerlässlich. Typische Strategien umfassen die Verwendung von pH-, thermischen oder feuchtigkeitsempfindlichen Materialien. Angesichts der inhärenten Joule-Erwärmung von SEMAs und der Tatsache, dass ihre typische Arbeitsumgebung Umgebungsluft ist, kamen wir zu dem Schluss, dass diese Materialklassen jedoch möglicherweise nicht optimal sind, um eine Krümmung in SEMAs zu erreichen. Stattdessen üben wir eine mechanische Vordehnung auf eine der Schichten der Doppelschichtfolie aus, um eine Spannungsfehlanpassung zu induzieren. Diese Methode findet Anwendung in der dehnbaren Elektronik und kann auf die Mikrometerskala verkleinert werden21,22. In der Praxis haben wir Doppelschichten hergestellt, indem wir eine vorgestreckte Schicht (oben) mit einer unverformten Schicht (unten) verbunden haben, sodass sich die Doppelschichtfolie beim Lösen zusammenrollt (ergänzende Abbildung 10a). Um die Herstellung zu steuern und die gewünschten Dicken und Vordehnungen für die Doppelschichtfolien zu ermitteln, wurden ein Schema der numerischen Finite-Elemente-Methode (FEM) (Abb. 2a, ergänzende Abb. 10b) und ein theoretisches Modell (ergänzende Abb. 10c, d) verwendet entwickelt.

a Simulierte Form der Doppelschichtfolie mit unterschiedlichen Vordehnungen: 1,0, 1,1, 1,3 und 1,5. b Simulierter und berechneter Radius der Doppelschichtfolie als Funktion der angewendeten Vordehnung. c Überlagerte Bilder der experimentellen und simulierten SEMR-Formen (Seitenansicht) mit einer Vordehnung von 1,3. d Schnappschüsse der SEMR-Schwingungen für 0,2 A Rechteckstrom mit unterschiedlichen Frequenzen (Zusatzfilm 2). Die 37-Hz- und 12-Hz-Frames entsprechen den Haupt- und zweitgrößten Spektralmaxima, die z. B. zu sehen sind. e Horizontale Verschiebung des linken Fußes des Roboters, der einem Rechteckstrom von 0,2 A bei verschiedenen Frequenzen ausgesetzt ist (Zusatzfilm 2). Der Roboter ist oben auf einem Magneten montiert und in der Mitte mit Kupferdrähten festgeklemmt. Der Einschub zeigt drei Verschiebungen (nach links, rechts und ganz). Sie entsprechen der maximalen Verschiebung von der Referenzposition „0“ (kein Strom) nach links (Ausfahren), rechts (Einfahren) bzw. ihrer Summe. Die obere Kurve (Vollständig) zeigt den gesamten Bereich der Fußverschiebung. f Bilder aus dem Vibrationstest für 0,5-A-Rechteckströme bei Frequenzen von 12 Hz und 37 Hz (Zusatzfilm 2) veranschaulichen den Bewegungsbereich entfernt und nahe der Resonanzfrequenz. g Illustration, die einen laufenden Geparden zeigt. h Schnappschüsse aus dem Hochgeschwindigkeitskameravideo (Zusatzfilm 2), die Phasen der Roboterbewegung zeigen, die durch einen Rechteckstrom (0,5 A, 37 Hz) angetrieben wird.

Der theoretische Radius des Doppelschichtfilms wird durch \(r={({t}_{10}+{t}_{20})}^{3}/(6{\varepsilon }_{10}{t) angenähert }_{10}{t}_{20})\), wobei \({t}_{10}\) und \({t}_{20}\) die Dicken der oberen und unteren Schicht sind und \({\varepsilon }_{10}\) ist die Vorspannung der oberen Schicht vor ihrer Verbindung mit der unteren Schicht (Einzelheiten siehe Ergänzungstext). Die Beziehung zwischen der Vordehnung \({\varepsilon }_{10}\) und der Vordehnung \({\lambda }_{{{{{\rm{pre}}}}}}}\) ist \({ \lambda }_{{{{{{\rm{pre}}}}}}}=1+{\varepsilon }_{10}\). Wenn \({t}_{10}={t}_{20}\), vereinfacht sich der Radius zu \(r=4{t}_{10}/(3{\varepsilon }_{10})\ ). In der ergänzenden Abbildung 10e skizzieren wir gebogene Doppelschichtfolien mit Vordehnungen zwischen 1,01 und 1,7. Das theoretische Modell stimmt mit den numerischen Simulationen für kleine Vordehnungen überein. (Abb. 2b). Darüber hinaus führten wir Experimente durch, um drei Arten von Vordehnungen (äquibiaxial, reine Scherung und uniaxial) zu vergleichen, und stellten eine gute Übereinstimmung mit numerischen Simulationen fest (ergänzende Abbildung 11). Eine äquibiaxiale Dehnung führt auch in der zweiten Richtung zu einer Krümmung, ein unerwünschter Effekt für diese Arten von SEMRs, da sie die effektive Lorentz-Kraft in Laufrichtung verringert und die Bewegung, Steuerung und Herstellung erschwert. Von diesen Vordehnungsarten erwies sich die einachsige als die praktischste, auch wenn die anderen beiden bei gleicher Vordehnung eine größere Krümmung erzeugen. Daher verwenden wir einachsige Dehnung, um mithilfe von Theorie und Simulation gekrümmte SEMRs herzustellen. Ein 3D-gedruckter Rahmen wird verwendet, um die Vordehnung einer rechteckigen Folie zu steuern (Ergänzende Abbildung 13a, b), während ein kleiner Quader während des 3D-Druckprozesses als flaches Trägersubstrat unter der gedehnten Folie dient (Ergänzende Abbildung 13c–e). . Die SEMR-Fertigung wird durch das Anbringen von zwei Roboterfüßen abgeschlossen (Abb. 1a). Das hergestellte SEMR hat die gleiche Form wie berechnet (Abb. 2c).

Das physikalische Bild der SEMR-Fortbewegung und der dynamischen Leistung wird im Rahmen des theoretischen Modells basierend auf mechanischen Vibrationen beschrieben. Eine Reihe von Experimenten wurde durchgeführt, um dieses Modell zu validieren und die Geometrie (ergänzende Abbildung 14a – c) und die mechanischen Eigenschaften des SEMR weiter zu charakterisieren. Die Schwerkraft wird nicht berücksichtigt, da ihr Einfluss auf Vibrationen gering ist (Ergänzende Abbildung 14d). Die Verformung des SEMR unter statischen Belastungen ist in der ergänzenden Abbildung 15 dargestellt. Durch Anlegen von Rechteck- oder Sinusströmen an den über dem Magneten hängenden SEMR untersuchen wir den Frequenzgang der resultierenden dynamischen Verformung, der gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmt (Ergänzungstext). Die größte Auslenkung eines Rechteckstroms tritt bei einer Resonanzfrequenz von 37 Hz auf (Abb. 2d – f, Zusatzfilm 2). Diese Frequenz ergibt sich aus Gl. (21) im Ergänzungstext und sein Einfluss auf die Roboterbewegung wird in Abschnitt 2.10 „Oszillatornäherung und -geschwindigkeit“ diskutiert. Ein größerer Strom (0,5 A) entspricht einer größeren Verformung (Abb. 2f, Zusatzfilm 2), bis sich der Körper des SEMR bei maximalem Schwung nahezu flach ausdehnt. Sowohl die Experimente (Ergänzungsabbildungen 16, 17) als auch die Theorie (Ergänzungstext) deuten darauf hin, dass die Rechteckwellenanregung in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft ist, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Im Vergleich zu sinusförmigen Strömen mit gleicher Amplitude sind bei einem Rechteckstrom größere Verformungen möglich; die Lorentzkraft erreicht ihr Maximum schneller; Wenn deutlich höhere Beschleunigungen bereitgestellt werden, ziehen beide Faktoren den Roboter aus den Rillen auf strukturierten Untergründen und überwinden die Haftreibung, wodurch die Bewegung in Gang gesetzt wird (Ergänzungstext). Auch die elektronische Umsetzung des Rechteckstroms ist einfacher. Vibrierende SEMRs weisen eine Dynamik auf, die der eines laufenden Geparden ähnelt (Abb. 2g, h), was die Entwicklung des ultraschnell laufenden Roboters inspirierte. Unter idealisierten Bedingungen sagt die Theorie extrem hohe Laufgeschwindigkeiten voraus (Ergänzungstext); Die gemessene Geschwindigkeit ist aufgrund des Abrutschens der Füße auf dem Untergrund, Abweichungen von der Geradeausbewegung, gegenphasiger Abstoßung vom Boden im Schwebemodus und anderer schädlicher Effekte geringer.

Es ist bekannt, dass die Pfoten beim schnellen Laufen von Geparden eine wichtige Rolle spielen. Ebenso ist die richtige Fußkonstruktion für die hohe Laufgeschwindigkeit des SEMR von entscheidender Bedeutung. Wir stellen zwei Strategien für das in Abb. 1a gezeigte Fußdesign vor, die auf der mechanischen Analyse des SEMR basieren. Abbildung 3a zeigt, wie die Lorentzkräfte auf verschiedene Teile der Flüssigmetallspulen wirken, wobei sich die meisten davon aufheben. Das Freikörperdiagramm (Abb. 3b, Seitenansicht) beinhaltet auch normale Stützkräfte (\({F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \({F} _{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) und Reibungskräfte (\({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f \!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}= f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) wobei \(f\) der Trockenreibungskoeffizient ist (\(0,1 \, < \, f \ , < \, 0,5\) in typischen Fällen). Die Masse des Roboters beträgt etwa \(m=180\,{{{{{\rm{mg}}}}}}\, was zu einer Gravitationskraft von \(G=mg=1,8\,{{{ {{\rm{mN}}}}}}\), unter der Annahme der Erdbeschleunigung \(g\,\ungefähr\, 10\,{{{{{{\rm{m}}}}}}/ {{{{{\rm{s}}}}}}}^{2}\). Die relevanten Lorentzkräfte, die auf die Roboterbeine wirken, sind horizontal; bei einem Strom \(I=0,5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\) und einer magnetischen Feldstärke \(B=0,3\,{{{{{\rm{T}} }}}}\) sie betragen etwa \({F}_{1{{{{\rm{L}}}}}}}={F}_{2{{{{{\rm{R}} }}}}}}=BIL=2.7\,{{{{{\rm{mN}}}}}}\), wobei \(L=(5+6+7)\,{{{{{\ rm{mm}}}}}}=18\,{{{{{\rm{mm}}}}}}\) ist die Gesamtlänge der leitenden Drähte (Abb. 3a, weitere Details im Ergänzungstext, Abschnitt 1.3, „Berechnung der Lorentzkraft“). Die normalen Reaktions- und Haftreibungskräfte verteilen sich ungefähr gleichmäßig auf beide Füße: \({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{ {{\rm{s1}}}}}}}\,\ approx\, fG/2\). Für große Ströme, z. B. \(I=0,5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{f}}} }}}1} \, < \, {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}},\,{F}_{{{{{{\rm{f}} }}}}2} \, < \, {F}_{2{{{{{\rm{R}}}}}}}\) und der Roboter kann sich aufgrund von Fußrutschen nicht richtig bewegen15. Außerdem induziert die Symmetrie der Spulen und des SEMR-Körpers nur Vibrationen um seinen Massenschwerpunkt ohne dessen horizontale Verschiebung, wenn er einem oszillierenden Strom ausgesetzt wird. Aus diesem Grund verwenden die meisten Soft-Roboter Haken19,23, dünne Filme12 oder Kunststoff-/Elastomer-Verbundwerkstoffe24 als Füße, um ein Abrutschen zu verhindern, die Symmetrie der Reibungskraft zu durchbrechen und eine translatorische Fortbewegung zu ermöglichen. Die Herstellung robuster Haken für unser SEMR im kleinen Maßstab ist eine Herausforderung und eine unidirektionale Bewegung erfordert eine gewisse Asymmetrie, die auf zwei Arten realisiert wird. Beim ersten Ansatz bestehen die Roboterfüße aus dünnen sägezahnförmigen Polymerfolien; Solche Roboter laufen auf dem asymmetrisch strukturierten Substrat (Abb. 1a), das für unidirektionale Reibung sorgt (Abb. 3c – e, i). Im zweiten Design ist die Asymmetrie ausschließlich auf die L-förmigen Füße des Roboters selbst zurückzuführen (Abb. 3f–h, j). Daher laufen solche SEMRs auf einer Vielzahl planarer unstrukturierter Substrate (Abb. 3k).

a Lorentzkräfte, die im äußeren Magnetfeld auf die verschiedenen Teile der Flüssigmetallspulen wirken (\(\it B\)), Draufsicht; Der Strom (\(\it I\)) wird durch die Pfeile gegen den Uhrzeigersinn angezeigt. Die Kräftepaare (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{1B }}}}}}}\)) und (\(\it {F}_{{{{{{\rm{2A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{ {{{{\rm{2B}}}}}}}\)) stehen senkrecht zur Biegerichtung und heben sich auf. Das zentrale Paar (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{2R }}}}}}}\)) fällt auch in der Gesamtbilanz weg. b Freikörperdiagramm des gekrümmten SEMR mit den verbleibenden relevanten Lorentz-Lastkräften (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1R}}}}}}}\), \(\it {F }_{{{{{{\rm{2L}}}}}}}\)), Seitenansicht. Die Schwerkraft (\(\it G\)) wirkt auf den Massenschwerpunkt (COM); die normalen Stützkräfte (\(\it {F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{ s2}}}}}}}\)) und Reibungskräfte (\(\it {F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}\), \(\it {F} _{{{{{{\rm{f2}}}}}}}\)) werden ebenfalls angezeigt. c Ablaufmechanismus des SEMR TST auf einem asymmetrisch strukturierten Substrat. d Schlüsselstufen für den Walking-SEMR-TST, angetrieben durch einen Rechteckstrom (0,3 A, 1 Hz). e Schnappschüsse des laufenden SEMR TSTS, angetrieben durch Rechteckströme (0,3 A, 55 Hz und 0,5 A, 45 Hz), wie angegeben. Die Zeit zwischen den Schnappschüssen beträgt 0,05 s. Die untere Sequenz entspricht der maximalen Geschwindigkeit von 70 BL/s. f Laufmechanismus des SEMR mit den L-förmigen Füßen. g Schlüsselstufen für den Walking-SEMR-TST, angetrieben durch einen Rechteckstrom (0,2 A, 1 Hz). h Schnappschüsse des laufenden SEMR TL, angetrieben durch Rechteckströme (0,3 A, 40 Hz und 0,4 A, 30 Hz), wie angegeben. Die Zeit zwischen den Schnappschüssen beträgt 0,05 s. Die untere Sequenz entspricht der maximalen Geschwindigkeit von 35 BL/s. i Maximale Geschwindigkeit des SEMR TST, angetrieben durch Rechteckströme als Funktion der Frequenz bei verschiedenen Amplituden (0,3 A, 0,4 A und 0,5 A). j Maximale Geschwindigkeit des SEMR TL, angetrieben durch Rechteckströme als Funktion der Frequenz bei verschiedenen Amplituden (0,2 A, 0,3 A und 0,4 A). k Maximale Laufgeschwindigkeit von SEMR TL auf verschiedenen Substraten, einschließlich verschiedener Schleifpapiere (Sp-p80, p180 und p400), Elastomer (PDMS), Papier, Holz, Metall, Kunststoff und Glas (Zusatzfilm 3). Alle Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von vier Messungen dar. Alle Schnappschüsse stammen aus verschiedenen Teilen des Ergänzungsfilms 3.

Abbildung 3c veranschaulicht den Funktionsmechanismus des SEMR TST. Die Füße sind an beiden Beinen in die gleiche Richtung ausgerichtet, um eine unidirektionale Bewegung zu gewährleisten. Allerdings rutschen solche Füße immer noch auf ebenen Untergründen, ein Problem, das mit alternativen Materialien oder Designs gelöst werden kann25. Der Schlupf verringert sich auf rauen oder gewellten Untergründen, was wir mithilfe der sägezahnförmigen Untergründe nachahmen (Abb. 3c, ergänzende Abb. 18), um die Leistung unserer Roboter unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Ähnlich wie bei den nicht einziehbaren Klauen eines Geparden führt die mechanische Verzahnung zwischen den Roboterfüßen und solchen Substraten zu einer stark asymmetrischen Reibung, die eine ultraschnelle Fortbewegung ermöglicht. Ein oszillierender Strom (Sinus- oder Rechteckwelle) bewirkt, dass der Roboter seinen Körper periodisch zusammenzieht und ausdehnt (Abb. 3c, ergänzende Abb. 19). Beim Ausfahren des Roboters bewegt sich der vordere Fuß nach vorne, während der hintere Fuß aufgrund der mechanischen Verriegelung fixiert ist. Dann zieht sich der Roboter zusammen, wobei der vordere Fuß nun fixiert ist, während der hintere Fuß nach vorne gezogen wird. Diese Stufen sind schematisch in Abb. 3c dargestellt und können in Abb. 3d oder im Zusatzfilm 3 aus den Experimenten gesehen werden, bei denen der SEMR TST durch einen Rechteckstrom (0,3 A, 1 Hz) angetrieben wird. Wir haben 3D-gedruckte Substrate mit unterschiedlichen Sägezahnprofilen (Sägezahnhöhe von a = 0,6 mm bis 1 mm) hergestellt und deren Leistung verglichen. Das leistungsstärkste Modell (a = 0,8 mm, ergänzende Abbildungen 18 und 20a) wurde in den nachfolgenden Experimenten verwendet.

Um eine schnellere Fortbewegung zu erreichen, ist ein optimaler Antriebsstrom entscheidend. Mit einem niederfrequenten Rechteckstrom bewegt sich der Roboter nach einer Änderung der Stromrichtung nur für einige zehn Millisekunden und behält seine Form auch dann bei, wenn der Strom ungleich Null ist (Abb. 3d, Zusatzfilm 3). Daher ist es nicht verwunderlich, dass die Geschwindigkeit des Roboters mit zunehmender Frequenz des Antriebsstroms zunimmt. Tests bei verschiedenen Frequenzen und verschiedenen Stromamplituden (Abb. 3i, ergänzende Abb. 20b) zeigen, dass die maximale Robotergeschwindigkeit bei einer Resonanzfrequenz \({f}_{0}\,\ approx\, 45\,{{ {{{\rm{Hz}}}}}}\). Wenn die Frequenz des Antriebsstroms \({f}_{I}\) von \({f}_{0}\) verstimmt wird, nimmt die Geschwindigkeit des Roboters ab. Die Resonanzfrequenz in Abb. 3i (45 Hz) ist aufgrund der unterschiedlichen Randbedingungen für den freien und den eingespannten Roboter größer als im Vibrationstest (~ 37 Hz in Abb. 2e) (in hervorragender Übereinstimmung mit unserer Theorie im Ergänzungstext). ). Die höchste gemessene Laufgeschwindigkeit beträgt 630 mm/s oder 70 BL/s (Ergänzungsfilm 3), was einen Rekord darstellt und unseres Wissens 17,5-mal höher ist als die früherer Roboter mit weichem Körper (Abb. 1b, Ergänzungstabelle). 1). Einzelne Bilder aus dem laufenden Video sind in Abb. 3e dargestellt. Aus den Kurven der Verschiebungen und Geschwindigkeiten über der Zeit sehen wir, dass bei niedrigeren Strömen der Kontakt und die Reibung zwischen den Füßen und dem Untergrund den Roboter verlangsamen (Ergänzende Abbildungen 21a – c). Bei hohen Strömen um die Resonanzfrequenz schwebt der Roboter jedoch die meiste Zeit in der Luft oder berührt den Boden nur mit einem Fuß, was die Energiedissipation zwischen Roboter und Untergrund verringert und die Laufgeschwindigkeit erhöht (Ergänzende Abbildung 21d). ). Bei größeren Magneten sollte sich die Geschwindigkeit letztendlich in der Nähe eines Maximalwerts stabilisieren, der im Ergänzungstext für verschiedene Mechanismen ausführlich erläutert wird. Obwohl die Geschwindigkeit des Roboters mit dem Strom zunimmt, stolpert der Roboter bei sehr hohen Strömen (über 0,6 A) aufgrund einer übermäßigen Faltung seines Körpers (ergänzende Abbildung 22a). Wir schlagen drei Lösungen für dieses Problem vor: (1) Verkürzung der Dauer des negativen Stroms (Kontraktion) (ergänzende Abbildung 22b); (2) Verringerung der Amplitude des negativen Stroms (ergänzende Abbildung 22c); (3) Erhöhung der Fahrfrequenz. Alle diese Lösungen funktionieren gut (Zusatzfilm 4) und die Geschwindigkeit des Roboters kann bei weiterer Optimierung noch weiter steigen.

Obwohl wir mit den sägezahnförmigen Füßen eine rekordverdächtige Laufgeschwindigkeit erreicht haben, schränkt die Abhängigkeit von den Substrateigenschaften die Anwendbarkeit von SEMRs ein. Um dieses Problem zu lösen, haben wir das L-förmige Fußdesign entwickelt, das viel universeller ist. Der Funktionsmechanismus des SEMR TL unter Verwendung der L-förmigen Füße ist in Abb. 3f und der ergänzenden Abbildung 23 dargestellt. Die relativ großen L-förmigen Füße sind an der Innenseite des Hinterbeins und an der Außenseite des Vorderbeins befestigt (Ergänzung). Abb. 24a, b). Diese eingebaute Asymmetrie verlagert das Gewicht abwechselnd zwischen den Füßen, sodass die normalen Reaktions- und Haftreibungskräfte ungleich verteilt sind, ähnlich dem menschlichen Geh- und Laufzyklus. Für positive Ströme \(I \, > \,0\) während der Expansion (Abb. 3f, oberes Feld) hat der vordere (rechte) Fuß eine geringe Reibung \({F}_{{{{{{\rm{ f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\ approx\, 0\) und rutscht nach vorne (nach rechts) , während der hintere (linke) Fuß eine große Reibung hat \({F}_{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm {s2}}}}}}}\,\ approx\, fG\) und ist nahezu fest. Für negative Ströme \(I \, < \, 0\) während der Kontraktion (Abb. 3f, unteres Feld) ist die Situation umgekehrt: Der Vorderfuß hat eine große Reibung \({F}_{{{{{{\rm {f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\ approx\, fG\) und ist nahezu fest, während die hinten, wobei \({F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}} }\,\ approx\, 0\) wird angezeigt. Eine ausführliche Erklärung dieses Verhaltens finden Sie im Ergänzungstext, Abschnitt 1.17, „Fortbewegungsprinzip des SEMR mit den L-förmigen Füßen“. Man kann diese Stufen in den Bildern von Abb. 3g (aus dem Zusatzfilm 3) für die Rechteckwellenanregung bei 1 Hz durch einen niedrigen Strom von 0,2 A sehen. Die Resonanzfrequenz des SEMR TL wurde gemessen (Ergänzende Abb . 24c) aufgrund des zusätzlichen Gewichts der L-förmigen Füße niedriger sein als beim SEMR TST. Sechs verschiedene Geometrien von L-förmigen Füßen (Ergänzungsabbildung 24a, Ergänzungstabelle 3) wurden getestet und der schnellste Fußtyp E (Ergänzungsabbildung 24d) wurde für die nachfolgenden Experimente ausgewählt.

Abbildung 3h zeigt Bilder aus Zusatzfilm 3, in dem SEMR TL auf einer Glasplatte läuft. Das obere Panel (0,3 A, 40 Hz) zeigt einen kontrollierten Lauf. Nach einer kurzen Beschleunigungsphase stabilisiert sich die Geschwindigkeit auf einem konstanten Wert von 165 mm/s, entsprechend 18,3 BL/s. Die untere Sequenz hat einen höheren Strom und liegt näher an der mechanischen Resonanz (0,4 A, 30 Hz); Dies führt zu einer viel schnelleren Bewegung (630 mm/s, 70 BL/s), aber die Bewegung ist weniger kontrolliert. Die Frequenzabhängigkeiten für verschiedene Ströme in Abb. 3j zeigen ein Resonanzverhalten, ähnlich dem in Abb. 3i. Die Resonanzfrequenzen unterscheiden sich zwischen den beiden Designs aufgrund unterschiedlicher Roboterabmessungen und -gewichte (ergänzende Abbildung 24c). Abbildung 3k listet die maximalen Geschwindigkeiten auf, die der SEMR TL auf verschiedenen Substraten mit unterschiedlichen tribologischen Eigenschaften unter Resonanzbedingungen erreicht. Die Verschiebungs-Zeit-Kurven für die SEMR TL zeigen eine stabile Fortbewegung auf den meisten Substraten, insbesondere auf glatten Substraten wie Glas und Metall (ergänzende Abbildung 25).

Neben der hohen Geschwindigkeit entwickelten viele Tiere eine breite Palette von Überlebensstrategien, darunter Widerstandsfähigkeit gegenüber Stößen oder Stürzen, die Fähigkeit, Hindernissen auszuweichen, die Land-/Wassergrenze nach Belieben zu überqueren sowie Beute und/oder Nachkommen zu transportieren. Einige dieser Fähigkeiten inspirieren die Robotik, wo beispielsweise eine hohe Haltbarkeit die Überlebensrate von Robotern in rauen Umgebungen erhöht19,26. Wir haben Haltbarkeitstests durchgeführt, bei denen unsere SEMRs beim Gehen durch hohe Kraft (1764-faches Körpergewicht) abgeflacht werden (Abb. 4a, Zusatzfilm 5). Die Roboterleistung bleibt vor und nach dem Aufprall konstant. Wir haben den Körper des SEMR TL sogar mit einer Zugprüfmaschine komprimiert und festgestellt, dass der versiegelte LM Druckspannungen von bis zu 139 atm (2000 N am Körper) standhalten kann. Die elektrische Trennung erfolgte bei Drücken über 3,5 atm (50 N Kraft auf den Körper), aber der Widerstand und der Körper des SEMR erholten sich, als der Druck abgelassen wurde (ergänzende Abbildung 26).

ein Robustheitstest, der die Widerstandsfähigkeit von SEMR TL bei externer Belastung zeigt (Zusatzfilm 5). Der Roboter setzt seinen Lauf fort, nachdem er zweimal gedrückt und vollständig abgeflacht wurde (Antriebsstrom, 0,3 A, 1 Hz). b Das SEMR springt über (oben) und auf (unten) ein 2,5 mm hohes Objekt (Zusatzfilm 6). c SEMR TST schwimmt auf der Wasseroberfläche. Einschub, Draufsicht auf den Roboter. d Pfad des schwimmenden SEMR TST (Zusatzfilm 7). e Maximale Schwimmgeschwindigkeit im Verhältnis zur Frequenz für einen Antriebsstrom von 0,5 A. Fehlerbalken stellen die Standardabweichung von vier Messungen dar. f Lenkbares SEMR TSTS mit zwei Modulen. Die Bilder 1 bis 7 zeigen gerades Gehen, Drehungen gegen den Uhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn unter Verwendung kontrollierter Ströme durch die Module (Zusatzfilm 8). Der Strichabstand entlang der Geraden beträgt 1 cm. g Seitenansicht des Transport-SEMR TRC, der Fracht transportiert. Es besteht aus einem Körper und einem Auslöseaktuator für den automatisierten Frachtumschlag (Zusatzfilm 9). h Fotos der ungebundenen SEMRs UL, UR1 und UR2, von links nach rechts. i Eine Sequenz von Schnappschüssen des laufenden ungebundenen SEMR UL (Supplementary Movie 10) mit einem Zeitintervall von 0,6 s. j Eine Sequenz von Schnappschüssen des laufenden ungebundenen SEMR UR1 (Zusatzfilm 10) mit einem Zeitintervall von 0,27 s. k Schnappschüsse des schwimmenden SEMR UR2 (Zusatzfilm 10) im Kontraktions- und Expansionszustand, jeweils linkes und rechtes Subpanel.

Doch Resilienz allein reicht nicht aus; Das Überwinden von Hindernissen stellt für die meisten Kleinroboter immer noch eine Herausforderung dar15. Wir zeigen, dass unser SEMR TST über Hindernisse mit einer Höhe von bis zu 4 mm (etwa 2/3 seiner Höhe, ergänzende Abbildung 27a, ergänzender Film 6) springen kann, indem wir ein gepulstes Stromsignal (100 ms negativer Strom von –1 A) anlegen , gefolgt von 50 ms positivem Strom von 1 A). Eine Bild-für-Bild-Analyse (ergänzende Abbildung 27a) zeigt, dass der Roboter seinen Körper zunächst zusammenzieht und dann neigt (wobei er Energie speichert). Dann dehnt es sich wie eine komprimierte Feder aus (gibt Energie frei) und springt über das Hindernis. Ebenso kann der SEMR TL auf der Metalloberfläche 3 mm nach oben springen (Ergänzungsbild 27b, Zusatzfilm 6) sowie über ein Hindernis hinwegspringen oder auf eine Bühne springen und weiterlaufen (Abb. 4b, Zusatzfilm 6). Die Aufhebung der Beschränkung terrestrischer Umgebungen für kleine Roboter auf wässrige Arbeitsbedingungen ermöglicht die Manipulation schwimmender Objekte für die Mikrofertigung27. Amphibische SEMRs würden aufgrund ihrer Steuerbarkeit ein breites Anwendungsspektrum ermöglichen. Mit seinem geringen Gewicht und der relativ geringen durchschnittlichen Dichte (ca. \(1,2\,{{{{\rm{g}}}}}}\,{{{{{{\rm{cm}}}}}}} ^{-3}\)) schwimmt der SEMR TST auf einer Wasseroberfläche ohne weitere Modifikation aufgrund von Oberflächenspannung und Auftrieb (Abb. 4c). Bei Ansteuerung mit einem Rechteckstrom (0,5 A, 20 Hz) schwimmt der Roboter mit einer maximalen Geschwindigkeit von 43 mm/s bzw. 4,8 BL/s an der Wasseroberfläche entlang (Abb. 4d) (Abb. 4e, Zusatzfilm 7) , was im Vergleich zu anderen Schwimmrobotern günstig ist (Ergänzende Abbildung 1, Ergänzende Tabelle 2). Durch weitere Verbesserungen kann der SEMR möglicherweise die Geschwindigkeit bestimmter Insekten (136,4 BL/s), Fische (17,8 BL/s) oder Kaulquappen (17,9 BL/s) erreichen. Komplexe Aufgaben in der Robotik beinhalten meist mehrere Freiheitsgrade, die in kleinen Softrobotern aufgrund der erforderlichen Steuerungsmechanismen oft nur schwer zu realisieren sind. Da die gedruckten LM-Kanäle von SEMRs einzeln adressierbar und skalierbar sind, ist ein SEMR TSTS mit zwei Modulen (angebundene sägezahnförmige Füße, Lenkung) mit zwei separaten Spulen (Abb. 4f, ergänzende Abb. 28) bereits steuerbar. Durch die unabhängige Steuerung der Spulenströme kann der Roboter mit einer Winkelgeschwindigkeit von 160°/s geradeaus gehen, sich im oder gegen den Uhrzeigersinn drehen (Abb. 4f, Zusatzfilm 8) und somit frei navigieren. Eine weitere strukturelle Neugestaltung des SEMR mit zwei Modulen, die eine Neukonfiguration der Position der zweiten Spule umfasst, führt zum Transport-SEMR TRC (angebunden, rechteckige Füße, Fracht) (ergänzende Abbildung 29). Die automatische Umlagerung von Objekten wird möglich, indem die beiden Module einzeln betätigt werden, eines zum Laufen und das andere zur kontrollierten Freigabe der Ladung (Abb. 4g, Zusatzfilm 9).

Bis zu diesem Zeitpunkt wurden die angebundenen SEMRs durch externe Stromversorgungssysteme angetrieben. Allerdings verfügen selbstangetriebene/ungebundene Roboter über eine größere Navigationsfreiheit und können leichter auf die Umgebung reagieren oder allgemeine Aufgaben ausführen. Trotz der Schwierigkeiten, in kleinen Systemen energetische und rechnerische Autonomie zu erreichen, ist dieser Schritt entscheidend für die Verwirklichung des ultimativen Traums von autonomen, selbstfahrenden Mikrorobotern. Hierin bieten wir eine unkomplizierte Prototyping-Lösung für ungebundene SEMRs, indem wir den Frachtmanipulationsaktuator eines Transport-SEMR durch eine kundenspezifische batteriebetriebene Leiterplatte (PCB) ersetzen (Materialien und Methoden). Zum Bau der Steuerungen werden drei verschiedene Größen von Leiterplatten (Ergänzungsabbildungen 30–32) und nichtmagnetische Batterien (Ergänzungstabelle 4) verwendet. In Abb. 4h zeigen wir ein Gruppenbild der ungebundenen SEMRs. Die Körperlänge von SEMR UL (ungebundene, L-förmige Füße) beträgt 9 mm und etwa 20 mm für SEMR UR1 (ungebundene, rechteckige Füße, Nr. 1) und UR2 (ungebundene, rechteckige Füße, Nr. 2). Die Zusammenfassung dieser Roboter finden Sie in der Ergänzungstabelle 5. Der SEMR UL läuft auf einer Metalloberfläche (Abb. 4i, Ergänzungs Abb. 33) mit einer Geschwindigkeit von 1,2 BL/s. Der SEMR UR1 kann mit einer Geschwindigkeit von 2,1 BL/s auf einem 3D-gedruckten Substrat laufen (Abb. 4j) und mit einer Geschwindigkeit von 1,25 BL/s im Wasser schwimmen (ergänzende Abb. 34). Der hohe Innenwiderstand der Batterien (Ergänzungstabelle 4) und die von den kleinen und mittleren Leiterplatten gelieferten, nur positiven Rechteckströme (Ergänzungsabbildung 30 und Ergänzungsabbildung 31) schränken die Laufleistung der SEMRs ein. Aus diesem Grund haben wir einen größeren Controller einschließlich Leiterplatte (Ergänzungsabbildung 32) und Batterie (Ergänzungsabbildung 35a, Ergänzungstabelle 4) entwickelt, der Rechteckstrom wechseln kann (Ergänzungsabbildung 35b). Der SEMR UR2 mit der großen Platine und der Batterie (Ergänzende Abbildung 35c – f) kann mit einer maximalen Geschwindigkeit von 1,8 BL/s schwimmen (Abb. 4k, Ergänzende Abbildung 35g, h, Ergänzender Film 10). Die Vergleiche zwischen ungebundenen SEMRs und anderen Robotern in Abb. 1b, ergänzender Abb. 1, ergänzender Tabelle 1 und ergänzender Tabelle 2 führen zu dem Schluss, dass unsere SEMRs sowohl beim Laufen als auch beim Schwimmen hohe Geschwindigkeiten aufweisen. Allerdings sind die nicht angebundenen SEMRs langsamer als die angebundenen, da Gewicht und Größe zunehmen (Ergänzungstabelle 5), ein vereinfachtes Controller-Design und eine geringe Leistung der Batterie, die alle von einer weiteren Optimierung profitieren können. Weitere Einzelheiten zu den ungebundenen SEMRs finden Sie im Ergänzungstext.

Zusammenfassend haben wir kleine SEMRs mit ultrahoher Geschwindigkeit (bis zu 70 BL/s) vorgestellt, die sich durch hohe Robustheit, multimodale Fortbewegung und ungebundenen Betrieb auszeichnen und sich daher hervorragend für vielseitige Anwendungen in elektrisch gesteuerten intelligenten Systemen eignen. Darüber hinaus werden stärkere Magnetfelder, wie im Inneren eines MRT-Geräts28, die Geschwindigkeit, Leistungsabgabe und Effizienz von SEMRs9 erheblich steigern. Durch die unkomplizierte und skalierbare Herstellung mittels 3D-Direkttintenschreibens eignen sie sich hervorragend für vielseitige Anwendungen in elektrisch gesteuerten intelligenten Systemen und ermöglichen die Entwicklung künftiger Hochleistungs-Mikroroboter für flexible Mikrofabrikation, gezielte Arzneimittelabgabe und nicht-invasive Chirurgie, bei denen Agilität von größter Bedeutung ist Wichtigkeit5,29,30.

Das Elastomer für die Herstellung von Doppelschichtfolien wird durch Mischen einer Lösung aus Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) und Polydimethylsiloxan (PDMS) (Sylgard 184, Dow Corning Inc.) im Massenverhältnis 1:10 hergestellt. Die Ecoflex-Lösung besteht aus Ecoflex-Teil A und Teil B im Massenverhältnis 1:1. Die PDMS-Lösung besteht aus einem Massenverhältnis von 1:10 aus Härtern und PDMS-Monomeren. Die Ecoflex- und PDMS-Lösungen werden in einem Planetenmischer unter Vakuumdruck (DAC 600.2 VAC-P, Hauschild & Co. KG) (350 mbar für 1 Minute bei 0 U/min, 20 s bei 1500 U/min und 20 s bei 2350 U/min) gemischt und entgast U/min). Anschließend wird die Ecoflex/PDMS-Lösung 30 Minuten lang in einem Ofen bei 60 °C oder 80 °C ausgehärtet. Die blauen Elastomerfolien werden nach dem oben genannten Verfahren hergestellt, der Ecoflex/PDMS-Lösung wurden jedoch durch Mischen 2 Gew.-% zusätzliches Farbpulver (Pigmentpulver, Vitarie) zugesetzt.

Der Schermodul des Ecoflex/PDMS-Verbundwerkstoffs wird durch Anpassen der Spannungs-Dehnungs-Daten ermittelt, die aus einem einachsigen Zugversuch erhalten wurden (ergänzende Abbildung 36a, Dehnungsrate 40 % min−1). Die Probengeometrie basiert auf der Europäischen Norm EN ISO 527-2:1996 (Typ 5 A). Unter der Annahme eines inkompressiblen neo-Hookeschen hyperelastischen Modells beträgt der Schermodul des Ecoflex/PDMS-Verbundwerkstoffs 66,5 ± 1,0 kPa.

Das flüssige Metall (LM), auch „Galinstan“ genannt, besteht aus Gallium, Indium und Zinn im Massenverhältnis 69:22:9 (Smart Elements, smart-elements GmbH). Die Massendichte und der elektrische Widerstand von Galinstan betragen bei Raumtemperatur etwa 6,44 g/cm3 bzw. 2,89 × 10−7 Ω m. Bei den im SEMA/SEMR eingesetzten Elektroden (Abb. 1, Ergänzungsabbildung 4) handelt es sich um verzinnten Kupferdraht (Nr. 0601025, Kabeltronik) mit einem Durchmesser von 150 µm. Die Stromversorgung des Roboters erfolgt beim gefesselten Roboter über zwei 50 µm dünne Kupferdrähte (Nr. 1570224, TRU Components).

In den Experimenten werden zwei Magnete aus NdFeB (N45) verwendet. Magnet 1: ein kreisförmiger Plattenmagnet (SM-100×30-N, magnets4you GmbH) mit einer Abmessung von ∅ 100 × 30 mm. Magnet 2: zwei identische Plattenmagnete (3965, EarthMag GmbH) übereinander gestapelt mit einer Gesamtabmessung von ∅ 120 × 100 mm. Magnet 2 wird nur in den Experimenten mit SEMR UL und UR2 verwendet. Die Magnetfelder der beiden Magnete haben wir sowohl aus Experimenten als auch aus Simulationen erhalten. Die Ergebnisse finden Sie im Ergänzungstext.

Die sägezahnförmigen und rechteckigen Füße des Roboters werden hergestellt, indem 75 µm Polyimidfolien (300HN, Kapton) mit einer Laserschneidmaschine oder einem Skalpell in die gewünschte Form geschnitten werden (Ergänzende Abbildung 13g). Die L-förmigen Füße (Ergänzungsabbildung 24a, b, Ergänzungstabelle 3) werden mit einem SLA-Drucker (Form 3, FORMLABS) 3D-gedruckt. Für das SEMR mit zwei Modulen werden die Füße weiter modifiziert, um sie an die Gummioberfläche anzupassen (Abb. 4f, ergänzende Abb. 28a, b).

Das Sägezahnsubstrat wird mit einem kommerziellen FDM-Drucker (3 Extended, Ultimaker) bedruckt. Die Geometrie des Substrats ist in Abb. 1a und der ergänzenden Abb. 18 zu finden. Das Substratmaterial ist ABS Pro-Filament (Nr. 1528301, Renkforce) und die gedruckte Schichtdicke beträgt 0,06 mm.

Schleifpapiere: Die Körnungen der Schleifpapiere sind 80 (Sp-p80), 180 (Sp-p180) und 400 (Sp-p400) von kwb Germany GmbH; PDMS: Die PDMS-Lösung besteht aus einem 1:10-Massenverhältnis von Härtern und PDMS-Monomeren, die in eine 3D-gedruckte Form gegossen und im Ofen bei 60 °C für 2 Stunden ausgehärtet wird. Die Dicke des PDMS-Films beträgt 2 mm; Papier: Büro-A4-Papier. Holz: aus einem Stück Balsalatte geschnitten (Nr. 1436844, Pichler); Metall: die Oberfläche von Magnet 1; Kunststoff: aus einer Polystyrol-Petrischale (391-0556, VWR) geschnitten; Glas: normale Glasplatte mit einer Dicke von 1,9 mm. Gummi: Latex-Widerstandsbänder (Silber, THERABAND)

Der Aufbau und die Hauptbestandteile des 3D-Direkttintenschreibdruckers (DIW) sind in der ergänzenden Abbildung 2 dargestellt, die hauptsächlich aus einem Druckspender (Ultimus V, Nordson EFD) und einem kommerziellen FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) (CR-) besteht. 10 V2, Creality). Der Spender ist mit einer Spritze (Optimeter Optimum 30CC, Nordson EFD) verbunden, die am FDM-Druckkopf montiert ist und über eine konische Spitze mit einem Innendurchmesser von 410 µm (7018298, Nordson EFD) oder 200 µm (7018417, Nordson EFD) verfügt. Die 200-µm-Spitze wird nur für SEMR UL verwendet. An den Spender sind eine Druckluftleitung und eine Vakuumpumpe angeschlossen, um das flüssige Metall aus der Spritze auszustoßen und in der Spritze zu halten. Der Spender und der FDM-Drucker werden von einem Einplatinencomputer (4 Modell B, Raspberry Pi) gesteuert, auf dem eine angepasste Version der Anwendung OctoPrint ausgeführt wird. Ein kleiner Turbofan beschleunigt die Oxidation der Oberfläche der Flüssigmetallspur und ein Mikroskop passt den Abstand der Spitze zur Druckoberfläche an. Der Spalt zwischen der Düse und der Druckoberfläche beträgt etwa 0,1 mm. Die G-Codes für gedruckte Muster werden manuell oder mit einem benutzerdefinierten Skript generiert.

Bei der Herstellung von SEMAs wird das LM auf eine durch Spin-Coating hergestellte Elastomerfolie mit einer anfänglichen Dicke von etwa 350 µm gedruckt. Die Schleuderbeschichtungsparameter sind in der ergänzenden Abbildung 36b und der ergänzenden Tabelle 6 angegeben. Ein 400 µm dicker Gummirahmen wird um den LM gelegt und dient als Form für die ungehärtete Elastomerlösung, die auf die gedruckten LM-Spuren gegossen wird. Um die überschüssige Elastomerlösung zu entfernen, verwenden wir einen Glasobjektträger. Anschließend wird der Doppelschichtfilm (mit einer Schicht aus ungehärteter Elastomerlösung) in einer Vakuumkammer (100 mbar) mehrere Minuten lang entgast, bis sich keine Luftblasen mehr um die LM-Kanäle befinden. Anschließend wird die Doppelschichtfolie für eine halbe Stunde in den Ofen (80 °C) gelegt, um die Elastomerlösung auszuhärten. Anschließend werden die Metallelektroden in den Doppelschichtfilm eingeführt, um die LM-Kanäle zu verbinden. Anschließend werden einige Tropfen Elastomerlösung um die Stelle der eingesetzten Elektroden aufgetragen, um den LM besser abzudichten. Die Doppelschichtfolie wird erneut für eine halbe Stunde in den Ofen (60 °C) gelegt, um die wenigen Tröpfchen der Elastomerlösung auszuhärten. Abschließend wird das SEMA mit einer chirurgischen Klinge aus der Doppelschichtfolie geschnitten. Um SEMA 2 zu erhalten, wird mit der Klinge eine kleine quadratische Fläche (1,4 mm × 1,4 mm) aus einem SEMA 1 herausgeschnitten.

Die blauen Doppelschichtfilme werden in sechs Hauptschritten hergestellt (ergänzende Abbildung 11). Zunächst wird ein Elastomerfilm erhalten, indem die gemischte Ecoflex/PDMS/Farbpulverlösung (siehe Abschnitt Materialien und Charakterisierung) in einer PMMA-Form 30 Minuten lang bei 60 °C ausgehärtet wird. Anschließend wurde mit einem Laserschneider eine Reihe von Löchern aus der vorbereiteten Elastomerfolie geschnitten. Dies ermöglicht die Montage auf einem 3D-gedruckten Rahmen zum Anbringen von Vordehnungen. Für unterschiedliche Zielvordehnungen wurden unterschiedliche Rahmen verwendet. Zur Herstellung der Oberschichtfolie wurde ein 1 mm dicker Abstandshalter auf die vorgestreckte Folie gelegt und die gemischte Elastomerlösung hineingegossen. Die überschüssige Lösung über dem Abstandshalter wird mit einer scharfen Kunststoffklinge vom Rahmen entfernt. Ein weiterer Aushärtungsprozess der Deckschichtfolie erfolgt für 30 Minuten bei 60 °C. Abschließend wird mit einem Skalpell eine Doppelschichtfolie aus dem Rahmen geschnitten und gebogen. Die experimentellen Ergebnisse sind in der ergänzenden Abbildung 12 dargestellt.

Bei der Herstellung von SEMRs wird der LM auf einen gedehnten Elastomerfilm gedruckt, der auf einem 3D-gedruckten Rahmen befestigt ist (Abb. 1a, ergänzende Abb. 13). Die folgenden Schritte ähneln der Herstellung der SEMAs bis zur Befestigung zweier Füße mit Sekundenkleber (Ultra Gel Matic, Pattex). Einzelheiten zu diesen SEMRs finden Sie im Ergänzungstext.

Das Steuerungssystem (ergänzende Abbildung 6) besteht aus einem Raspberry Pi 4 Model B-Einplatinencomputer, einer 16-Kanal-PWM-Treiberplatine (PCA9685) von Adafruit und mehreren Digilent Pmod HB3 H-Brücken. Sowohl der PWM-Treiber als auch die H-Brücken werden vom integrierten 3,3-V-Regler des Raspberry Pi mit Strom versorgt. Die Steuerungssoftware ist in Python geschrieben und wird auf dem Raspberry Pi ausgeführt. Die Kommunikation mit dem PWM-Treiber erfolgt über einen I2C-Bus. Der PWM-Treiber erzeugt gemäß der Programmierung Rechtecksignale mit vorgegebener Frequenz und vorgegebenem Tastverhältnis. Diese Ausgangssignale werden zur Ansteuerung der EN-Pins (Aktivierung) der H-Brücken verwendet. Darüber hinaus werden die GPIO-Pins des Raspberry Pi verwendet, um die Richtung (Polarität) der H-Brücken umzuschalten. Die Eingangsanschlüsse der H-Brücke sind mit einem Tischnetzteil (GPO-33030, GW Instek) verbunden, wodurch der maximale Strom, der durch die H-Brücke fließt, begrenzt werden kann. Jeder Aktor ist über dünne Magnetdrähte mit einem Durchmesser von 0,05 mm (Nr. 1570224, TRU COMPONENTS) mit einem der Ausgangsklemmen der H-Brücken verbunden.

Die SEMAs werden vertikal senkrecht zur Oberfläche des Magneten platziert und durch eine Kunststoffstützstruktur festgeklemmt (ergänzende Abbildung 7a). Der unterste Flüssigmetallkanal der SEMAs liegt etwa 6 mm von der Oberfläche des Magneten entfernt. Die Ansteuerung der SEMAs erfolgt über das PWM-Steuerungssystem. Beim statischen Biegetest wird ein konstanter Gleichstrom an das SEMA angelegt, während es beim dynamischen Biegen durch einen Rechteckstrom betätigt wird (ergänzende Abbildung 7e).

Die numerischen Simulationen werden mit der kommerziellen Software ABAQUS/Standard (SIMULIA, Dassault Systèmes) durchgeführt. Zur Simulation des gestreckten Doppelschichtfilms/SEMR wird ein Benutzerunterprogramm UMAT verwendet. Einzelheiten zur Unterroutine finden Sie im Ergänzungstext, Abschnitt 1.1. „Numerische Simulation der Doppelschichtfilme“. Das neo-Hookesche hyperelastische Materialmodell wird verwendet, um das mechanische Verhalten des Elastomers mit einem Schermodul von 66,5 kPa zu modellieren, der aus experimenteller Charakterisierung ermittelt wurde. Die Poisson-Zahl beträgt 0,49. In der Simulation wird zur Vereinfachung das flüssige Metall durch das Elastomer ersetzt, da der Volumenanteil von LM im Elastomer gering ist.

Der Roboter wird durch die Kupferdrähte an einem Stützhalter etwa 11 mm über der Oberfläche des Magneten festgeklemmt (ergänzende Abbildung 14a). Die Resonanzfrequenzanalyse wurde mit einem Funktionsgenerator (33250 A, Agilent) als Signalquelle durchgeführt. Der Ausgang des Funktionsgenerators wird einer maßgeschneiderten Pufferverstärkerschaltung zugeführt, die von einem Tischnetzteil (EA-PS2316-050, EA Elektro-Automatik) gespeist wird und einen Strom von bis zu 5 A liefern kann. Der Aktuator wird direkt vom Verstärkerausgang angetrieben. Ein 1-Ohm-Hochleistungswiderstand (HS150 1 R J, Arcol) wird in Reihe zum Aktor geschaltet und dient als Shunt-Widerstand. Dies ermöglicht die Messung der aktuellen Wellenform mit einem digitalen Oszilloskop (GDS-11048, GW Instek) über das Ohmsche Gesetz. Der Funktionsgenerator wird von einem Computer gesteuert und die Frequenz wird jede Sekunde um 1 Hz erhöht. Auf diese Weise wurde die Reaktion sowohl auf Sinus- als auch auf Rechteckströme im Bereich von 1–100 Hz gemessen. Die Vibration wird von einer Digitalkamera aufgezeichnet und die horizontale Verschiebung der Roboterfüße wird durch Videoanalyse mit einem maßgeschneiderten Skript (MATLAB, MathWorks) ermittelt.

Die Geschwindigkeit der SEMRs wird durch die Analyse der Frames der Videos gemessen. Um den Roboter im Rahmen zu lokalisieren, digitalisieren wir zunächst den Rahmen, um den Körper zu trennen, indem wir den Schwellenwert zwischen Weiß (Körper) und Schwarz (Hintergrund) anpassen. Dann ermitteln wir die Position des Roboters, indem wir die Mitte des Körperbereichs oder die Mitte der Grenze in Laufrichtung berechnen. Alle diese Prozesse werden mit einem benutzerdefinierten Skript (Python oder MATLAB) durchgeführt. Die Position des Roboters kann auch mithilfe der Computer-Vision-Bibliothek OpenCV oder der Software „Tracker“ (https://physlets.org/tracker/) verfolgt werden. Die gemessene Geschwindigkeit ist definiert als die Durchschnittsgeschwindigkeit über einen Zeitraum von 50 ms, sofern nicht anders angegeben.

Der Versuchsaufbau ähnelt dem Geh- und Lauftest. Der SEMR TL wird auf die Oberfläche des Magneten gelegt. Der Roboter wird von der PWM-Steuerung mit einem Rechteckstrom (0,2 A, 1 Hz) angetrieben. Im Zusatzfilm 5 erlangt der SEMR TL seine Einsatzfähigkeit zurück, nachdem er manuell durch eine Plastikstange heruntergedrückt und abgeflacht wurde. Die maximale Kraft in diesem Test wird durch Abflachen des Roboters auf einer Waage (GP3202, Sartorius) abgeschätzt und beträgt etwa 300 g.

Der Körper des SEMR TL wird außerdem mit einer Zugprüfmaschine (Z005, ZwickRoell) auf bis zu 2000 N komprimiert. Während des Tests wird der Widerstand des SEMR mit einem Multimeter (2110, Keithley) mithilfe einer 4-Draht-Widerstandsmessmethode aufgezeichnet .

Dieser Aufbau ist in der ergänzenden Abbildung 8 dargestellt. Ein Thermoelement wird mit Sekundenkleber auf die Mitte des SEMA geklebt. Der SEMA 1 wird mit Rechteckströmen mit den Amplituden 0,1 A, 0,3 A und 0,5 A beaufschlagt. Zwischen den Messungen lässt man den SEMA auf Umgebungstemperatur abkühlen. Für jeden Strom läuft die Messung 1000 s.

Die kleinen und mittleren Leiterplatten (Ergänzende Abbildungen 30 und 31), die den ungebundenen Roboter antreiben, bestehen aus einem 555-Varianten-Timer-IC (MIC1555, Microchip) und einem n-Kanal-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET). ). Der Timer-IC ist über einen externen Widerstand und einen Kondensator als astabiler Multivibrator konfiguriert. Dies führt zur Erzeugung eines Rechtecksignals am Ausgang, wobei die Widerstand-Kondensator-Zeitkonstante (RC) die Frequenz bestimmt. Der Ausgangspin ist mit dem Gate des MOSFET verbunden und die Kontakte des Roboters sind mit dem Drain verbunden. Die Stromversorgung erfolgt über einen Lithium-Polymer-Akku, der speziell ohne ferromagnetische Materialien (keine Nickelfolie) entwickelt wurde. Wenn der Timer ein High-Signal ausgibt, wird der MOSFET eingeschaltet und der Strom fließt durch den Roboter.

Die große Leiterplatte (ergänzende Abbildung 32) behebt einige Nachteile der kleineren Versionen, wie z. B. die fehlende Spannungsregelung und die Beschränkung auf positive Ausgangsspannungen. Dies wird durch die Hinzufügung eines Motortreiber-ICs mit integrierter H-Brücke (DRV8832, Texas Instruments) erleichtert. Das Rechteckwellen-Ausgangssignal des Timer-Chips wird in einen der beiden Eingangspins des Treiber-ICs eingespeist. Der andere Eingangspin ist über einen Inverter mit demselben Signal verbunden. Die Eingangspins haben daher jederzeit entgegengesetzte Logikwerte. Dadurch ändert der Treiber-IC nach jedem Halbzyklus des Eingangssignals die „Richtung“. Die Last wird über die H-Brückenschaltung abwechselnd an die Batteriespannung und die umgekehrte Batteriespannung angeschlossen. Die Spannungsregelung erfolgt lastseitig durch Umstellung auf PWM-Modulation, um die Eingangsspannung über einem eingestellten Wert zu halten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Antriebsfrequenz stabil bleibt, während die Ausgangsleistung reduziert wird. Es hat auch den Effekt, eine Tiefentladung der Batterie zu verhindern.

Wir haben alle Leiterplatten mit der KiCad EDA-Software (https://www.kicad.org/) entworfen und gezeichnet.

In dieser Arbeit werden drei Arten nichtmagnetischer Lithiumbatterien verwendet (Ergänzungstabelle 4). Bei der Messung wird die Batterie in Reihe mit einem Quellenmessgerät (2611 A, Keithley) und parallel mit einem Oszilloskop (GDS-1104B, GW Instek) verbunden. Das Quellmessgerät liefert einen 500 ms langen negativen Stromimpuls (Gerät absorbiert Strom). Die Spannung wird mit dem Oszilloskop direkt an den Batterieklemmen gemessen (im Wesentlichen 4-Draht-Erfassung). Die erste Messung ist die Leerlaufspannung \({V}_{{{\rm{open}}}}\). Die zweite Messung \({V}_{{{\rm{pulse}}}}\) erfolgt 100 ms nach Beginn des Pulses. Der Innenwiderstand der Batterie wird berechnet durch \({R}_{{{{{{\rm{in}}}}}}}=({V}_{{{\rm{open}}}}- {V}_{{{\rm{Impuls}}}})/I\).

Die meisten Bilder der optischen Mikroskopie wurden mit einem Nikon Eclipse LV100ND-Mikroskop aufgenommen. Ergänzende Abbildung 3g wurde mit dem optischen Mikroskop BRESSER Erudit DLX (Nr. 5102000) mit der Okularkamera BRESSER MikrOkular aufgenommen. Sofern nicht anders angegeben, wurde für Fotos und Videos eine Digitalkamera (EOS 80D, Canon) mit einer Bildrate von 50 fps und einer Auflösung von 1920 × 1080 Pixeln verwendet. Die Seitenansicht des Schwimmroboters SEMR TST wurde von einer anderen Kamera (GC-PX10, JVC) mit den gleichen Parametern aufgenommen. Alle Zeitlupenvideos wurden mit einer Hochgeschwindigkeitskamera (Chronos 2.1-HD, Krontech) aufgenommen. Die meisten davon wurden mit einer Bildrate von 2142 fps und einer Auflösung von 1280 × 720 Pixeln aufgenommen. Das Experiment mit der Vibration des SEMR, das zwei Rechteckströmen (0,5 A, 37 Hz) ausgesetzt ist (Abb. 2h), wurde mit einer Bildrate von 4230 fps und einer Auflösung von 1280 × 360 Pixeln aufgezeichnet. Für den Oszillationsabfalltest (ergänzende Abbildung 40) wurde das Video mit einer Bildrate von 5406 fps und einer Auflösung von 640 × 480 Pixeln aufgenommen.

Alle zur Bewertung der Schlussfolgerungen in der Arbeit erforderlichen Daten sind in der Arbeit und/oder den ergänzenden Materialien enthalten. Zusätzliche Daten zu diesem Artikel können bei den Autoren angefordert werden.

Der in diesem Dokument verwendete Code ist auf begründete Anfrage erhältlich.

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Wir danken Andreas Heiden, David Preninger, Reinhard Schwödiauer und Simona Bauer-Gogonea für die Hilfe bei Experimenten und Christa Mitschan für die mentale Unterstützung. Wir danken auch Yong Wang von der Zhejiang-Universität für die wertvolle Diskussion über Vibrationen. Diese Arbeit wurde durch den ERC Starting Grant „GEL-SYS“ im Rahmen der Fördervereinbarung Nr. unterstützt. 757931 (MK).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Guoyong Mao, David Schiller.

Soft Materials Lab, Linz Institute of Technology, Johannes Kepler University, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Austria

Guoyong Mao, David Schiller, Doris Danninger, Bekele Hailegnaw, Florian Hartmann, Thomas Stockinger, Michael Drack, Nikita Arnold & Martin Kaltenbrunner

Abteilung für Physik weicher Materie, Institut für Experimentalphysik, Johannes Kepler Universität, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Österreich

David Schiller, Doris Danninger, Bekele Hailegnaw, Florian Hartmann, Thomas Stockinger, Michael Drack, Nikita Arnold & Martin Kaltenbrunner

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GM, NA und MK haben das Projekt konzipiert und initiiert. GM hat die Roboter entworfen. DS baute die elektronischen Steuerungen. GM führte die numerische Analyse durch. NA und GM entwickelten den theoretischen Rahmen. GM, DS, DD, BH, FH, TS und MD führten die Experimente durch. GM, DS, DD, BH, NA und MK analysierten die Ergebnisse. GM und MK haben das Manuskript mit Kommentaren und Materialien aller Autoren verfasst. MK überwachte die Forschung.

Korrespondenz mit Guoyong Mao oder Martin Kaltenbrunner.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature Communications dankt den anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit. Peer-Reviewer-Berichte sind verfügbar.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Mao, G., Schiller, D., Danninger, D. et al. Ultraschnelle kleine weiche elektromagnetische Roboter. Nat Commun 13, 4456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

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Eingegangen: 15. März 2022

Angenommen: 18. Juli 2022

Veröffentlicht: 09. August 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

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