[发明专利]一种可重构模块化微型机器人及其制备方法

说明书

本发明为一种自驱动可重构模块化机器人及其制备方法。本发明的可重构模块化机器人，以经过铂纳米颗粒不对称修饰的碳纳米材料纤维作为组装单元，通过模块化组装方式首尾连接构成；组装单元上铂纳米颗粒在化学溶剂过氧化氢溶液中催化分解反应产生气泡，使纤维状组装单元在液面上获得稳定的推力矩，从而形成稳定的类定轴旋转；多根纤维状自驱动单元经结构设计与定向受力分析，通过模块化组装的方式得到高度可定制化的微型制动系统，根据实际使用场景需要达到稳定可控的旋转或直线位移运动；所述的碳纳米材料纤维为取向碳纳米管纤维或石墨烯纤维。这种可重构模块化微型机器人在更加智能化、运动模式更加高度可控的微型机器人领域具有巨大的应用潜力。

技术领域

本发明属于微型机器人技术领域，具体涉及一种化学溶剂供能的自驱动可重构模块化机器人及其制备方法。

背景技术

微型机器人因其在狭小空间内完成特定任务的潜力，例如靶向输送药物、细胞操纵、生物成像和非侵入式微型手术等，近年来成为了机器人学得重要分支之一。与传统宏观功能化机器人不同的是，微型机器人的框架在作为结构支撑的同时，也承担了驱动模块的功能，以满足体系整体微型、紧凑且能完成特定任务的要求。通过化学能驱动微型机器人是目前研究最为广泛的机理之一。通过对合适材料进行微结构的设计，使该结构在一定条件下进行特定化学反应，反应物或反应所产生的能量由该结构表面不对称释放或耗散，从而实现净驱动力的产生。

一系列基于上述原理，通过合成制备具有Janus结构的纳米粒子、纳米线和纳米棒等结构以实现微型结构自主运动的工作已经取得了一定进展^[1-4]。然而，受限于微型体系中的不成熟制备手段，目前合成相对简单的化学结构能实现的运动可控性有待提高，后期也不具备进一步通过组装手段构成更加复杂、多功能化制动体系的潜能。这些问题极大地限制了合成微型机器人的环境适应性和对多种使用场景的可调节性，增加了制备、维修对应微型制动体系所需成本。

发明内容

本发明的目的在于提供一种运动可控性好、环境适应性强的可重构模块化机器人及其制备方法。

本发明包括通过普适性方法制备纤维状微型机器人组装单元，基于此种组装单元进一步构建具备更高结构复杂度、且可控性强的微型制动系统。

本发明制备的纤维状微型机器人，其组装单元为不对称铂纳米颗粒修饰的碳纳米材料纤维，具有轻质、强韧的结构特点，在过氧化氢溶液中能通过催化反应释放气泡获得稳定的推力矩，从而实现类定轴旋转。通过对纤维状组装单元的受力分析和模块化组装，可较为简单地构建不同几何结构、运动模式的微型制动体系，并基于此体系完成预定轨迹的运动。

所述的碳纳米材料纤维包括碳纳米管纤维或石墨烯纤维，但不限于这两者。

具体来说，本发明提供的可重构模块化微型机器人，由化学溶剂供能，以经过铂纳米颗粒不对称修饰的碳纳米材料纤维作为组装单元，通过模块化组装方式首尾连接构成；组装单元上铂纳米颗粒在化学溶剂过氧化氢溶液中催化分解反应产生气泡，使纤维状组装单元在液面上获得稳定的推力矩，从而形成稳定的类定轴旋转；多根纤维状自驱动单元经结构设计与定向受力分析后，可通过模块化组装的方式得到高度可定制化的微型制动系统，根据实际使用场景需要达到稳定可控的旋转或直线位移运动。