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    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,来自中科院理化所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?;诟寐呒ピ?,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中国科学院前沿项目支持。 

      论文链接:https://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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