Ultrarapide petit

Sep 05, 2023

Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 4456 (2022) Citer cet article

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La locomotion à grande vitesse est une stratégie de survie essentielle pour les animaux, permettant de peupler des environnements difficiles et imprévisibles. Les robots mous bio-inspirés bénéficient également d'un mouvement polyvalent et ultrarapide, mais nécessitent des mécanismes d'entraînement et des conceptions d'appareils appropriés. Ici, nous présentons une classe de robots électromagnétiques doux à petite échelle constitués de bicouches élastomères incurvées, entraînés par des forces de Lorentz agissant sur des canaux de métal liquide imprimés intégrés transportant des courants alternatifs avec des tensions d'entraînement de plusieurs volts dans un champ magnétique statique. Leurs performances de résonance dynamique sont étudiées expérimentalement et théoriquement. Ces robots robustes et polyvalents peuvent marcher, courir, nager, sauter, diriger et transporter des marchandises. Leurs versions attachées atteignent des vitesses de course ultra-élevées de 70 BL/s (longueurs de corps par seconde) sur des substrats ondulés 3D et de 35 BL/s sur des substrats plans arbitraires tandis que leur vitesse de nage maximale est de 4,8 BL/s dans l'eau. De plus, les prototypes de versions non attachées courent et nagent à une vitesse maximale de 2,1 BL/s et 1,8 BL/s, respectivement.

Les organismes naturels, tels que les guépards, les lapins ou les cafards, utilisent la locomotion à grande vitesse comme l'une de leurs principales stratégies de survie pour chasser pour se nourrir ou fuir les prédateurs. La vitesse relative en termes de longueurs corporelles (BL) par seconde quantifie la vitesse de différents organismes sur un large spectre de tailles corporelles et peut atteindre 323 BL/s pour l'acarien Paratarsotomus macropalpis1. La technologie permet une locomotion à grande vitesse principalement grâce à des machines à grande échelle (BL > 100 mm) et des moteurs de grande puissance (tels que des moteurs à combustion ou électriques), ce qui donne des voitures de Formule 1 (50 BL/s) ou des robots quadrupèdes2 fonctionnant à 9,1 BL/s. Cependant, la conception de robots à grande vitesse à petite échelle (1 mm < BL ≤ 100 mm) est difficile en raison des difficultés de miniaturisation des moteurs et des systèmes de transmission traditionnels à hautes performances. Des structures simples faites de matériaux intelligents offrent des possibilités alternatives pour construire des robots miniaturisés. Le titanate de zirconate de plomb (PZT)3 et les alliages à mémoire de forme (SMA)4 sont deux matériaux intelligents rigides représentatifs mis en œuvre dans des robots de taille millimétrique, mais présentent des courses d'actionnement trop petites ou des fréquences basses pour permettre une locomotion à grande vitesse. La robotique émergente et l'interaction homme-robot nécessitent en outre des conceptions souples, sûres, rapides et robustes capables de fonctionner dans des environnements difficiles et dynamiques. Un exemple extrême est un estomac humain, subissant une compression mécanique pendant la digestion et contenant des fluides acides. La prévention ou le traitement des maladies liées au tractus gastro-intestinal favorise le développement de mini-robots mous pour l'administration de médicaments ou la chirurgie non invasive5.

Pour résoudre ces problèmes, des matériaux souples et intelligents pour la robotique, tels que les fibres polymères thermosensibles6, les gels polymères sensibles au pH7, les polymères à cristaux liquides sensibles à la lumière8 et les matériaux sensibles aux champs électriques/magnétiques9,10,11,12,13 ont émergé. Cependant, les fibres polymères thermosensibles et les gels polymères sensibles au pH reposent sur la diffusion lente des ions ou de la chaleur et ne sont donc pas assez rapides pour la locomotion à grande vitesse dans les robots. Les polymères à cristaux liquides sensibles à la lumière8 peuvent être actionnés à des fréquences supérieures à 10 Hz, mais le besoin d'éclairage modulé et d'environnements transparents limite leurs possibilités d'application14. Les élastomères sensibles aux champs électriques/magnétiques, tels que les élastomères diélectriques (DE) et les élastomères magnétiques doux (SME), présentent généralement des temps de réponse rapides, avec des vibrations dans la plage des kHz9,10,11,12. Les inconvénients des DE sont leurs tensions d'actionnement élevées (dans la gamme des kV), posant des problèmes de sécurité potentiels et empêchant la miniaturisation. Les robots des PME sont sûrs, ont une réponse rapide et sont faciles à miniaturiser, mais ont des difficultés avec les conceptions de robots à plusieurs modules ou en essaim, car ils nécessitent des champs magnétiques globaux et dynamiquement réglables14,15,16. Les actionneurs électromagnétiques doux (SEMA) comprenant des bobines de métal liquide (LM) intégrées dans des substrats élastomères ont une meilleure contrôlabilité locale et présentent des performances élevées dans un champ magnétique statique fort, comme cela existe par exemple dans une machine d'imagerie par résonance magnétique (IRM)9. Les progrès de l'impression 3D LM permettent la miniaturisation des SEMA à au moins une échelle millimétrique, ouvrant des voies vers une locomotion à grande vitesse dans des robots mous de taille micrométrique à centimétrique17.

Ici, nous développons une série de robots électromagnétiques souples (SEMR) à petite échelle ultrarapides, robustes et polyvalents capables de marcher, courir, sauter, nager, diriger et même transporter et décharger des marchandises. Ceci est réalisé grâce aux progrès de la fabrication, de la conception et de la modélisation des robots, qui améliorent collectivement les performances du robot et permettent même un fonctionnement sans attache lorsqu'il est équipé d'un contrôleur auto-alimenté miniaturisé. La fabrication (Fig. 1a) utilise l'impression de bobines LM sur des substrats élastomères, ce qui permet un contrôle sélectif simultané de différentes sections du corps du robot, permettant la direction et le transport de la cargaison. Une bicouche élastomère avec une inadéquation des contraintes donne un corps de robot incurvé capable de marcher lorsqu'il est soumis à un courant variant dans le temps dans un champ magnétique statique et une conception de pieds appropriée. Nous introduisons deux types de pieds SEMR : les pieds en dents de scie pour les substrats imprimés en 3D asymétriques et les pieds en forme de L pour les substrats plans. Les deux sont illustrés à la Fig. 1a avec SEMR TST (pieds attachés en forme de dents de scie) et SEMR TL (pieds attachés en forme de L). La locomotion des SEMR devient ultrarapide près de la fréquence de résonance mécanique, comme démontré dans les expériences et soutenu par la modélisation analytique et numérique. Nous démontrons des SEMR fonctionnant à une vitesse relative ultrarapide de 70 BL/s, environ 17,5 fois plus rapide que les robots à corps mou précédents, plus rapide que les robots électromagnétiques centimétriques et la plupart des animaux (Fig. 1b). De plus, le même SEMR est également capable de nager à une vitesse relative élevée de 4,8 BL/s, ce qui se compare favorablement à d'autres robots et animaux aquatiques (Fig. 1 supplémentaire, Tableau supplémentaire 2).

a Schéma du processus de fabrication. Les bobines LM sont imprimées sur un film élastomère pré-étiré. Ensuite, la solution de précurseur d'élastomère est appliquée sur les bobines LM à l'aide d'un revêtement en barre, ce qui donne une structure bicouche à partir de laquelle le corps du robot est découpé. Enfin, des pieds en forme de dents de scie ou en forme de L sont fixés. Pour l'actionnement, les robots sont connectés à l'alimentation externe avec des électrodes. b Vitesses de course maximales de mammifères représentatifs, d'arthropodes, de robots mous et de robots par rapport à la longueur du corps. Les zones ombrées englobent les plages pour différentes catégories, comme indiqué par les symboles dans la légende, et pour nos SEMR, qui sont étiquetés avec des étoiles. La vitesse relative maximale de nos SEMR est de 70 BL/s, soit près de 17,5 fois plus grande que celle des robots à corps mou précédents, plus rapide que les robots électromagnétiques centimétriques et la plupart des animaux rapides. Deux étoiles avec la vitesse la plus élevée correspondent aux SEMR attachés, et deux plus lentes aux robots non attachés. Les détails peuvent être trouvés dans le tableau supplémentaire 1.

La conception polyvalente des canaux LM dans les SEMR est fournie par une imprimante 3D à écriture directe à encre (DIW)18 (Fig. 2 supplémentaire) capable de produire des fils LM jusqu'à une résolution de 100 µm (Fig. 3 supplémentaire). Pour connecter les canaux LM à une alimentation externe, nous insérons des électrodes dans le corps SEMA/SEMR et les scellons avec de l'élastomère (Fig. 4 supplémentaire). La robustesse et la fonctionnalité de notre schéma de fabrication ont été étudiées lors d'essais de flexion avec deux SEMA à petite échelle d'une taille de 9 mm × 9 mm × 0, 8 mm (Fig. 5 supplémentaire). Ici, SEMA 1 pèse 96 mg, tandis que SEMA 2 est encore plus léger en raison d'une découpe au centre. Les deux actionneurs sont pilotés par un contrôleur de modulation de largeur d'impulsion (PWM) personnalisé (Fig. 6 supplémentaire) et sont placés au-dessus d'un aimant à plaque permanent (champ magnétique d'environ 0, 3 T à sa surface, Fig. 7a supplémentaire). Alors que le déplacement horizontal de sa pointe est de 4,5 mm pour SEMA 1 lorsqu'il est entraîné par un courant constant de 1 A, la conception plus légère de SEMA 2 permet un déplacement accru jusqu'à 6,4 mm en raison d'une diminution de la rigidité en flexion (Fig. 7b – d supplémentaire). Les tests dynamiques avec les SEMA entraînés par un courant d'onde carrée (Fig. 7e supplémentaire, Film supplémentaire 1) donnent une portée horizontale élevée de plus de 6,3 mm avec un courant relativement faible (0,1 A, 8 Hz) pour SEMA 2 avec la géométrie de découpe (Fig. 7f supplémentaire). Nous caractérisons l'augmentation de température du SEMA lorsqu'il est utilisé dans l'air (Fig. 8a supplémentaire), car cela est crucial pour les courants d'entraînement élevés. Nous trouvons une élévation de température de 1,3 °C, 10,9 °C et 27,5 °C pour des courants de 0,1 A, 0,3 A et 0,5 A dans des tests de longue durée (> 1000 s). Les actionneurs restent entièrement fonctionnels et ce chauffage Joule peut être encore réduit avec une meilleure conception de bobine, telle que l'augmentation du nombre de tours de bobine, comme indiqué dans le texte supplémentaire.

La conception des SEMR est basée sur le principe d'un SEMA bidimensionnel, mais avec des modifications essentielles qui les dotent d'un mécanisme de locomotion à grande vitesse. Les SEMA plats illustrés sur la Fig. 9a supplémentaire ne sont capables que de petites déformations dans le plan pour les géométries où la bobine LM est orientée perpendiculairement à la direction du champ magnétique. Dans ces conditions, le robot a des difficultés à se déformer, et encore moins à marcher. Considérant que de nombreux animaux et la plupart des robots mous utilisent l'expansion/contraction de leur corps incurvé8,12,19,20 pour une locomotion rapide, nous avons émis l'hypothèse que les films bicouches élastomères incurvés (Fig. 9b supplémentaire) avec des canaux LM intégrés permettront des actionneurs électromagnétiques souples à grande vitesse. Pour cela, des souches incompatibles dans le film bicouche sont essentielles. Les stratégies typiques incluent l'utilisation de matériaux sensibles au pH, à la chaleur ou à l'humidité. Étant donné le chauffage Joule inhérent des SEMA et que leur environnement de travail typique est l'air ambiant, nous avons conclu que ces classes de matériaux peuvent cependant être sous-optimales pour obtenir une courbure dans les SEMA. Au lieu de cela, nous appliquons un pré-étirement mécanique à l'une des couches du film bicouche pour induire une inadéquation de la contrainte. Cette méthode trouve une application dans l'électronique extensible et peut être réduite à l'échelle du micromètre21,22. En pratique, nous avons fabriqué des bicouches en collant une couche pré-étirée (en haut) à une couche non déformée (en bas), de sorte que lorsque le film bicouche est libéré, il s'enroule (Fig. 10a supplémentaire). Pour guider la fabrication et déterminer les épaisseurs et les pré-étirements souhaités pour les films bicouches, un schéma numérique de méthode des éléments finis (FEM) (Fig. 2a, Fig. 10b supplémentaire) et un modèle théorique (Fig. 10c, d supplémentaires) ont été développés.

a Forme simulée du film bicouche avec différents pré-étirements : 1,0, 1,1, 1,3 et 1,5. b Rayon simulé et calculé du film bicouche en fonction du pré-étirage appliqué. c Images superposées des formes SEMR expérimentales et simulées (vue de côté) avec un pré-étirement de 1,3. d Instantanés des vibrations SEMR pour un courant carré de 0,2 A avec différentes fréquences (film supplémentaire 2). Les trames 37 Hz et 12 Hz correspondent au principal et au deuxième plus grand maximum spectral, que l'on peut voir en e. e Déplacement horizontal du pied gauche du robot soumis à un courant carré de 0,2 A à différentes fréquences (Supplément Film 2). Le robot est monté sur le dessus d'un aimant et serré au milieu avec des fils de cuivre. L'encart illustre trois déplacements (gauche, droite et plein). Ils correspondent au déplacement maximal de la position de référence "0" (pas de courant) vers la gauche (extension), la droite (contraction) et leur somme, respectivement. La courbe supérieure (Full) montre la plage complète du déplacement du pied. f Les images du test de vibration pour des courants d'onde carrée de 0,5 A à des fréquences de 12 Hz et 37 Hz (film supplémentaire 2) illustrent la plage de mouvement à l'écart et à proximité de la fréquence de résonance. g Illustration représentant un guépard courant. h Instantanés de la vidéo de la caméra à grande vitesse (film supplémentaire 2), qui montrent les étapes du mouvement du robot entraîné par un courant d'onde carrée (0,5 A, 37 Hz).

Le rayon théorique du film bicouche est approximé par \(r={({t}_{10}+{t}_{20})}^{3}/(6{\varepsilon }_{10}{t}_{10}{t}_{20})\), où \({t}_{10}\) et \({t}_{20}\) sont les épaisseurs des couches supérieure et inférieure et \({\varepsilon }_ {10}\) est la précontrainte de la couche supérieure avant sa liaison à la couche inférieure (voir le texte supplémentaire pour plus de détails). La relation entre la précontrainte \({\varepsilon }_{10}\) et la préétirement \({\lambda }_{{{{{{\rm{pre}}}}}}}\) est \({\lambda }_{{{{{\rm{pre}}}}}}=1+{\varepsilon }_{10}\). Si \({t}_{10}={t}_{20}\), le rayon se simplifie en \(r=4{t}_{10}/(3{\varepsilon }_{10})\). Dans la Fig. 10e supplémentaire, nous esquissons des films bicouches courbes avec des pré-étirements variant de 1,01 à 1,7. Le modèle théorique est en accord avec les simulations numériques pour les petits pré-étirements. (Fig. 2b). De plus, nous avons mené des expériences pour comparer trois types de pré-étirements (équibiaxial, cisaillement pur et uniaxial) et avons trouvé un bon accord avec les simulations numériques (Fig. 11 supplémentaire). L'étirement équibiaxial introduit également une courbure dans la 2ème direction, un effet indésirable pour ces types de SEMR, car il diminue la force de Lorentz effective dans la direction de la marche et complique le mouvement, le contrôle et la fabrication. Parmi ces types de pré-étirement, celui uniaxial s'est avéré être le plus pratique, même si les deux autres produisent une plus grande courbure au même pré-étirement. Par conséquent, nous utilisons l'étirement uniaxial pour fabriquer des SEMR courbes à l'aide de la théorie et de la simulation. Un cadre imprimé en 3D est utilisé pour contrôler le pré-étirement d'un film rectangulaire (Fig. 13a, b supplémentaire), tandis qu'un petit cuboïde sert de substrat de support plat sous le film étiré pendant le processus d'impression 3D (Fig. 13c – e supplémentaire). La fabrication SEMR est finalisée par la fixation de deux pieds de robot (Fig. 1a). Le SEMR fabriqué a la même forme que celle calculée (Fig. 2c).

L'image physique de la locomotion SEMR et des performances dynamiques est décrite dans le modèle théorique basé sur les vibrations mécaniques. Une série d'expériences a été menée pour valider ce modèle et caractériser davantage la géométrie (Fig. Supplémentaire 14a – c) et les propriétés mécaniques du SEMR. La gravité n'est pas prise en compte, car son influence sur les vibrations est mineure (Fig. 14d supplémentaire). La déformation du SEMR soumis à des charges statiques est illustrée dans la Fig. 15 supplémentaire. En appliquant des courants rectangulaires ou sinusoïdaux au SEMR suspendu au-dessus de l'aimant, nous étudions la réponse en fréquence de la déformation dynamique résultante qui s'accorde bien avec les prédictions théoriques (Texte supplémentaire). La plus grande déviation pour un courant à onde carrée se produit à une fréquence de résonance de 37 Hz (Fig. 2d – f, Film supplémentaire 2). Cette fréquence est donnée par l'Eq. (21) dans le texte supplémentaire, et son influence sur le mouvement du robot est discutée dans la section 2.10 « Approximation et vitesse de l'oscillateur ». Un courant plus important (0,5 A) correspond à une déformation plus importante (Fig. 2f, Film supplémentaire 2) jusqu'à ce que le corps du SEMR s'étire presque à plat à l'oscillation maximale. Les expériences (Fig. 16, 17 supplémentaires) et la théorie (Texte supplémentaire) indiquent que l'excitation en onde carrée est bénéfique à plusieurs égards, en particulier aux basses fréquences. Par rapport à des courants sinusoïdaux de même amplitude, des déformations plus importantes sont possibles pour un courant rectangulaire ; la force de Lorentz atteint son maximum plus rapidement ; des accélérations nettement plus élevées sont fournies, les deux facteurs tirent le robot hors des rainures sur des substrats structurés et surmontent le frottement statique, ce qui déclenche le mouvement (texte supplémentaire). La mise en œuvre électronique du courant à onde carrée est également plus facile. Les SEMR vibrants présentent une dynamique similaire à celle d'un guépard courant (Fig. 2g, h), ce qui a inspiré le développement du robot de course ultra-rapide. Dans des conditions idéales, la théorie prédit des vitesses de course extrêmement élevées (Texte supplémentaire) ; la vitesse mesurée est plus faible en raison du glissement des pieds sur le substrat, des écarts par rapport au mouvement rectiligne, de la répulsion anti-phase du sol en régime de vol stationnaire et d'autres effets néfastes.

Il est bien connu que les pattes jouent un rôle important dans la course à grande vitesse des guépards. De même, une conception appropriée des pieds est cruciale pour la vitesse de fonctionnement élevée du SEMR. Nous introduisons deux stratégies pour la conception des pieds illustrées à la Fig. 1a, qui sont basées sur l'analyse mécanique du SEMR. La figure 3a montre que les forces de Lorentz agissent sur différentes parties des bobines de métal liquide, dont la majorité s'annule. Le diagramme de corps libre (Fig. 3b, vue de côté) inclut également les forces d'appui normales (\({F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) et les forces de frottement (\({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1 }}}}}}}\), \({F}_{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) où \(f\) est le coefficient de frottement sec (\(0,1 \, < \, f \, < \, 0,5\) dans les cas typiques). La masse du robot est d'environ \(m=180\,{{{{{\rm{mg}}}}}}\), résultant en une force gravitationnelle de \(G=mg=1.8\,{{{{{\rm{mN}}}}}}\), en supposant l'accélération due à la gravité \(g\,\approx\, 10\,{{{{{{\rm{m}}}}}}/{{{{{\rm{s}}}}} }}^{2}\). Les forces de Lorentz pertinentes agissant sur les jambes du robot sont horizontales ; à un courant \(I=0,5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\) et une intensité de champ magnétique \(B=0,3\,{{{{{\rm{T}}}}}}\) elles sont d'environ \({F}_{1{{{{\rm{L}}}}}}={F}_{2{{{{{\rm{R}}}}}}}=BIL=2,7\,{{{{ {\rm{mN}}}}}}\), où \(L=(5+6+7)\,{{{{{\rm{mm}}}}}}=18\,{{{{{\rm{mm}}}}}}\) est la longueur totale des fils conducteurs (Fig. 3a, plus de détails dans le Texte Supplémentaire, section 1.3, "Calcul de la force de Lorentz"). Les forces de réaction normale et de friction statique sont réparties à peu près également entre les deux pieds : \({F}_{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, fG/2\). Pour les grands courants, par exemple, \(I=0,5\,{{{{{\rm{A}}}}}}\), \({F}_{{{{{{\rm{f}}}}}}1} \, < \, {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}},\,{F}_{{{{{{\rm{f}}}}}}2} \, < \, {F}_{2{ {{{{\rm{R}}}}}}}\) et le robot ne peut pas se déplacer correctement en raison d'un glissement de pied15. Aussi, la symétrie des bobines et du corps du SEMR n'induit qu'une vibration autour de son centre de masse sans son déplacement horizontal lorsqu'il est soumis à un courant oscillatoire. Pour cette raison, la plupart des robots souples utilisent des crochets19,23, des films minces12 ou des composites plastique/élastomère24 comme pieds pour éviter de glisser, rompre la symétrie de la force de friction et permettre la locomotion en translation. La fabrication de crochets robustes pour notre SEMR à petite échelle est un défi et le mouvement unidirectionnel nécessite une certaine asymétrie, qui est réalisée de deux manières. Dans la première approche, les pieds du robot sont constitués de films polymères minces en forme de dents de scie ; ces robots fonctionnent sur le substrat à structure asymétrique (Fig. 1a), qui fournit un frottement unidirectionnel (Fig. 3c – e, i). Dans la seconde conception, l'asymétrie est uniquement due aux pieds en forme de L du robot lui-même (Fig. 3f – h, j). Ainsi, ces SEMR fonctionnent sur une grande variété de substrats plans non structurés (Fig. 3k).

a Forces de Lorentz agissant sur les différentes parties des bobines de métal liquide dans le champ magnétique externe (\(\it B\)), vue de dessus ; courant (\(\it I\)) est indiqué par les flèches dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Les paires de forces (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{1B}}}}}}}\)) et (\(\it {F}_{{{{{{\rm{2A}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{2B}}}}}}}\)) sont perpendiculaires à la direction de pliage et annuler. La paire centrale (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1L}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{2R}}}}}}}\)) s'annule également dans l'équilibre global. b Diagramme de corps libre de SEMR courbe avec les forces de Lorentz de chargement pertinentes restantes (\(\it {F}_{{{{{{\rm{1R}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{2L}}}}}}}\)), vue de côté. La force de gravité (\(\it G\)) est appliquée au centre de masse (COM) ; les forces d'appui normales (\(\it {F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\)) et les forces de frottement (\(\it {F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}\), \(\it {F}_{{{{{{\rm{f2}}}}}}}\ )) sont également indiqués. c Mécanisme de fonctionnement du SEMR TST sur un substrat à structure asymétrique. d Étapes clés pour le SEMR ambulant TST piloté par un courant carré (0,3 A, 1 Hz). e Instantanés du SEMR TSTS en cours d'exécution piloté par des courants d'onde carrée (0,3 A, 55 Hz et 0,5 A, 45 Hz), comme indiqué. Le temps entre les instantanés est de 0,05 s. La séquence du bas correspond à la vitesse maximale de 70 BL/s. f Mécanisme de roulement du SEMR avec les pieds en L. g Étapes clés pour le SEMR ambulant TST piloté par un courant carré (0,2 A, 1 Hz). h Instantanés du SEMR TL en cours d'exécution entraîné par des courants d'onde carrée (0,3 A, 40 Hz et 0,4 A, 30 Hz), comme indiqué. Le temps entre les instantanés est de 0,05 s. La séquence du bas correspond à la vitesse maximale de 35 BL/s. i Vitesse maximale du SEMR TST entraîné par des courants rectangulaires en fonction de la fréquence à différentes amplitudes (0,3 A, 0,4 A et 0,5 A). j Vitesse maximale du SEMR TL entraîné par des courants rectangulaires en fonction de la fréquence à différentes amplitudes (0,2 A, 0,3 A et 0,4 A). k Vitesse de fonctionnement maximale de SEMR TL sur différents substrats, y compris divers papiers de verre (Sp-p80, p180 et p400), élastomère (PDMS), papier, bois, métal, plastique et verre (film supplémentaire 3). Toutes les barres d'erreur représentent l'écart type de quatre mesures. Tous les instantanés proviennent de différentes parties du film supplémentaire 3.

La figure 3c illustre le mécanisme de fonctionnement du SEMR TST. Les pieds sont orientés dans la même direction sur les deux jambes pour assurer un mouvement unidirectionnel. Cependant, ces pieds glissent toujours sur des substrats plans, un problème qui peut être résolu avec des matériaux ou des conceptions alternatifs25. Le glissement est réduit sur les substrats rugueux ou ondulés, que nous imitons à l'aide des substrats en forme de dents de scie (Fig. 3c, Fig. 18 supplémentaire), pour étudier les performances de nos robots dans des conditions contrôlées. Tout comme les griffes non rétractables d'un guépard, le verrouillage mécanique entre les pieds du robot et ces substrats entraîne une friction hautement asymétrique, permettant une locomotion ultra-rapide. Un courant oscillant (sinusoïdal ou carré) amène le robot à se contracter et à étendre périodiquement son corps (Fig. 3c, Fig. 19 supplémentaire). Lorsque le robot se déploie, le pied avant avance, tandis que le pied arrière est fixe grâce au verrouillage mécanique. Ensuite, le robot se contracte, maintenant avec le pied avant fixe, tandis que le pied arrière tire vers l'avant. Ces étapes sont représentées schématiquement sur la figure 3c et peuvent être vues sur la figure 3d ou le film supplémentaire 3 à partir des expériences où le SEMR TST est entraîné par un courant d'onde carrée (0, 3 A, 1 Hz). Nous avons fabriqué des substrats imprimés en 3D avec différents profils en dents de scie (hauteur de la dent de scie de a = 0,6 mm à 1 mm) et comparé leurs performances. La plus performante (a = 0,8 mm, Fig. 18 et 20a supplémentaires) a été utilisée dans les expériences ultérieures.

Pour obtenir une locomotion plus rapide, un courant de conduite optimal est essentiel. Avec un courant à onde carrée basse fréquence, le robot ne se déplace que pendant des dizaines de millisecondes après un changement de direction du courant et conserve sa forme même lorsque le courant est non nul (Fig. 3d, Film supplémentaire 3). Ainsi, il n'est pas surprenant que la vitesse du robot augmente pour une fréquence plus élevée du courant d'entraînement. Des tests à différentes fréquences et différentes amplitudes de courant (Fig. 3i, Fig. 20b supplémentaire) révèlent que la vitesse maximale du robot est atteinte à une fréquence de résonance \({f}_{0}\,\approx\, 45\,{{{{{\rm{Hz}}}}}}\). Lorsque la fréquence du courant d'entraînement \({f}_{I}\) est désaccordée de \({f}_{0}\), la vitesse du robot diminue. La fréquence de résonance sur la Fig. 3i (45 Hz) est plus grande que dans le test de vibration (~ 37 Hz sur la Fig. 2e) en raison des conditions aux limites différentes pour le robot libre et serré (en excellent accord avec notre théorie dans le texte supplémentaire). La vitesse de course mesurée la plus élevée est de 630 mm/s, ou 70 BL/s (film supplémentaire 3), ce qui est un record, 17,5 fois supérieur à celui des robots à corps mou précédents, à notre connaissance (Fig. 1b, tableau supplémentaire 1). Les images individuelles de la vidéo en cours d'exécution sont illustrées à la Fig. 3e. D'après les courbes des déplacements et des vitesses en fonction du temps, on voit que pour des courants plus faibles, le contact et le frottement entre les pieds et le substrat ralentissent le robot (Figs. supplémentaires 21a–c). Cependant, avec des courants élevés autour de la fréquence de résonance, le robot plane la plupart du temps dans les airs ou touche le sol avec un seul pied, ce qui réduit la dissipation d'énergie entre le robot et le substrat et augmente la vitesse de course (Fig. 21d supplémentaire). Pour les aimants plus grands, la vitesse devrait finalement se stabiliser près d'une valeur maximale discutée en profondeur dans le texte supplémentaire pour divers mécanismes. Bien que la vitesse du robot augmente avec le courant, à des courants très élevés (supérieurs à 0,6 A), le robot trébuche en raison d'un pliage excessif de son corps (Fig. 22a supplémentaire). Nous suggérons trois solutions à ce problème : (1) raccourcir la durée du courant négatif (contraction) (Fig. 22b supplémentaire) ; (2) diminuer l'amplitude du courant négatif (Fig. 22c supplémentaire); (3) augmenter la fréquence de conduite. Toutes ces solutions fonctionnent bien (Supplementary Movie 4) et la vitesse du robot peut encore augmenter avec une optimisation supplémentaire.

Bien que nous ayons atteint une vitesse de fonctionnement record en utilisant les pieds en forme de dents de scie, la dépendance aux propriétés du substrat limite l'applicabilité des SEMR. Pour surmonter cela, nous avons développé la conception des pieds en forme de L qui est beaucoup plus universelle. Le mécanisme de fonctionnement du SEMR TL utilisant les pieds en forme de L est illustré à la Fig. 3f et à la Fig. 23 supplémentaire. Les pieds en forme de L relativement grands sont fixés à l'intérieur de la jambe arrière et à l'extérieur de la jambe avant (Figs. 24a, b supplémentaires). Cette asymétrie intégrée déplace alternativement le poids entre les pieds de telle sorte que la réaction normale et les forces de friction statiques sont réparties de manière inégale, comme le cycle humain de marche et de course. Pour les courants positifs \(I \, > \,0\) pendant l'expansion (Fig. 3f, panneau supérieur), le pied avant (droit) a une petite friction \({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}\,\approx\, 0\) et glisse vers l'avant (vers la droite), tandis que le pied arrière (gauche) a une grande friction \({F} _{{{{{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\,\approx\, fG\) et est presque corrigé. Pour les courants négatifs \(I \, < \, 0\) lors de la contraction (Fig. 3f, panneau inférieur), la situation est inversée : le pied avant présente une grande friction \({F}_{{{{{{\rm{f1}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{\rm{s1}}}}}}}\,\approx\, fG\) et est presque fixe, tandis que le pied arrière où \({F}_{{{{ {{\rm{f2}}}}}}}=f\!{F}_{{{{{{\rm{s2}}}}}}}\,\approx\, 0\) tire vers le haut. Une explication détaillée de ce comportement est donnée dans le texte supplémentaire, section 1.17, "Principe de locomotion du SEMR avec les pieds en forme de L". On peut voir ces étapes dans les images de la Fig. 3g (extraites du Film Supplémentaire 3) pour l'excitation en onde carrée à 1 Hz par un faible courant de 0,2 A. La fréquence de résonance du SEMR TL a été mesurée (Fig. Supplémentaire 24c) comme étant inférieure à celle du SEMR TST, en raison du poids supplémentaire des pieds en L. Six géométries différentes de pieds en forme de L (Fig. 24a supplémentaire, Tableau supplémentaire 3) ont été testées et le type de pied E le plus rapide (Fig. 24d supplémentaire) a été sélectionné pour les expériences ultérieures.

La figure 3h montre des images du film supplémentaire 3 où SEMR TL s'exécute sur une plaque de verre. Le panneau supérieur (0,3 A, 40 Hz) montre un fonctionnement contrôlé. Après une courte phase d'accélération, la vitesse se stabilise à une valeur constante de 165 mm/s, correspondant à 18,3 BL/s. La séquence inférieure a un courant plus élevé et est plus proche de la résonance mécanique (0,4 A, 30 Hz) ; cela conduit à un mouvement beaucoup plus rapide (630 mm/s, 70 BL/s), mais le mouvement est moins contrôlé. Les dépendances de fréquence pour différents courants de la Fig. 3j démontrent un comportement résonnant, similaire à celui de la Fig. 3i. Les fréquences de résonance diffèrent entre les deux conceptions en raison des différences de dimensions et de poids du robot (Fig. 24c supplémentaire). La figure 3k répertorie les vitesses maximales atteintes par le SEMR TL sur divers substrats avec différentes propriétés tribologiques dans des conditions de résonance. Les courbes de déplacement en fonction du temps pour le SEMR TL montrent une locomotion stable sur la plupart des substrats, en particulier les substrats lisses comme le verre et le métal (Fig. 25 supplémentaire).

En plus de se déplacer à grande vitesse, de nombreux animaux ont développé un large éventail de stratégies de survie, notamment la résilience aux chocs ou aux chutes, la capacité d'éviter les obstacles, de traverser la frontière terrestre/aquatique à volonté, ainsi que de transporter des proies et/ou des descendants. Certaines de ces capacités inspirent la robotique, où par exemple, une grande durabilité augmente le taux de survie des robots dans des environnements difficiles19,26. Nous avons effectué des tests de durabilité dans lesquels nos SEMR sont aplatis par une force élevée (1764 fois son poids corporel) pendant la marche (Fig. 4a, Film supplémentaire 5). Les performances du robot restent constantes avant et après l'impact. Nous avons même comprimé le corps du SEMR TL avec une machine d'essai de traction et avons constaté que le LM scellé peut supporter des contraintes de compression jusqu'à 139 atm (2000 N sur le corps). La déconnexion électrique s'est produite à des pressions supérieures à 3,5 atm (force de 50 N sur le corps), mais la résistance et le corps du SEMR se sont rétablis lorsque la pression a été relâchée (Fig. 26 supplémentaire).

un test de robustesse montrant la résilience de SEMR TL lors d'un chargement externe (film supplémentaire 5). Le robot reprend sa marche après avoir été pressé et complètement aplati deux fois (courant d'entraînement, 0,3 A, 1 Hz). b Le SEMR saute à travers (celui du haut) et sur (celui du bas) un objet de 2,5 mm de haut (film supplémentaire 6). c SEMR TST flottant à la surface de l'eau. En médaillon, vue de dessus du robot. d Trajectoire de la natation SEMR TST (Supplément Film 7). e Vitesse de nage maximale en fonction de la fréquence pour un courant d'entraînement de 0,5 A. Les barres d'erreur représentent l'écart type de quatre mesures. f SEMR TSTS orientable à deux modules. Les images 1 à 7 montrent une marche droite, des virages dans le sens inverse des aiguilles d'une montre et dans le sens des aiguilles d'une montre en utilisant des courants contrôlés à travers les modules (film supplémentaire 8). L'intervalle de graduation le long de la ligne droite est de 1 cm. g Vue latérale du transport SEMR TRC, transportant des marchandises. Il se compose d'un corps et d'un actionneur de libération pour la manutention automatisée du fret (Supplémentaire Film 9). h Photos des SEMR autonomes UL, UR1 et UR2, de gauche à droite. i Une séquence d'instantanés du SEMR UL (Supplementary Movie 10) en cours d'exécution avec un intervalle de temps de 0,6 s. j Une séquence d'instantanés du SEMR UR1 non attaché en cours d'exécution (film supplémentaire 10) avec un intervalle de temps de 0,27 s. k Instantanés de la natation SEMR UR2 (film supplémentaire 10) dans les états de contraction et d'expansion, sous-panneaux gauche et droit, respectivement.

Pourtant, la résilience seule ne suffit pas ; surmonter les obstacles reste un défi pour la plupart des robots à petite échelle15. Nous démontrons que notre SEMR TST peut sauter par-dessus des obstacles d'une hauteur allant jusqu'à 4 mm (environ 2/3 de sa hauteur, Fig. 27a supplémentaire, Film supplémentaire 6) en appliquant un signal de courant pulsé (courant négatif de 100 ms de -1 A, suivi d'un courant positif de 50 ms de 1 A). L'analyse image par image (Fig. 27a supplémentaire) montre que le robot se contracte d'abord puis incline son corps (stockant de l'énergie dans le processus). Ensuite, il se dilate, comme un ressort comprimé (libérant de l'énergie), et saute par-dessus l'obstacle. De même, le SEMR TL peut sauter de 3 mm vers le haut sur la surface métallique (Fig. 27b supplémentaire, Film supplémentaire 6), ainsi qu'à travers un obstacle, ou sauter sur une scène et continuer à courir (Fig. 4b, Film supplémentaire 6). La levée de la contrainte des environnements terrestres pour les robots à petite échelle pour inclure des conditions de travail aqueuses permet la manipulation d'objets flottants pour la microfabrication27. Les SEMR amphibies, en raison de leur contrôlabilité, permettraient une large gamme d'applications. Avec son poids léger et sa densité moyenne relativement faible (environ \(1,2\,{{{{{\rm{g}}}}}}\,{{{{{{\rm{cm}}}}}}}^{-3}\)), le SEMR TST flotte à la surface de l'eau sans autre modification due à la tension superficielle et à la flottabilité (Fig. 4c). Lorsqu'il est actionné avec un courant d'onde carrée (0,5 A, 20 Hz), le robot nage le long de la surface de l'eau (Fig. 4d) à une vitesse maximale de 43 mm/s ou 4,8 BL/s (Fig. 4e, Film supplémentaire 7), qui se compare favorablement aux autres robots nageurs (Fig. 1 supplémentaire, Tableau supplémentaire 2). D'autres améliorations peuvent permettre au SEMR d'atteindre la vitesse de certains insectes (136,4 BL/s), poissons (17,8 BL/s) ou têtards (17,9 BL/s). Les tâches complexes en robotique impliquent généralement plusieurs degrés de liberté qui sont souvent difficiles à réaliser dans les robots mous à petite échelle en raison des mécanismes de contrôle requis. Étant donné que les canaux LM imprimés des SEMR sont adressables et évolutifs individuellement, un SEMR TSTS à deux modules (pieds en dents de scie attachés, direction) contenant deux bobines séparées (Fig. 4f, Fig. 28 supplémentaire) est déjà orientable. Le contrôle indépendant des courants de bobine permet au robot de marcher droit, de tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (Fig. 4f, Film supplémentaire 8) avec une vitesse angulaire de 160°/s et ainsi de naviguer librement. Une autre refonte structurelle du SEMR à deux modules qui comprend la reconfiguration de la position de la deuxième bobine aboutit au transport SEMR TRC (attache, pieds rectangulaires, cargaison) (Fig. 29 supplémentaire). La relocalisation automatique des objets devient possible en actionnant les deux modules individuellement, l'un pour la course et l'autre pour la libération contrôlée de la cargaison (Fig. 4g, Film supplémentaire 9).

Jusqu'à présent, les SEMR connectés étaient alimentés par des systèmes d'alimentation externes. Cependant, les robots autonomes/non attachés possèdent une plus grande liberté de navigation et peuvent réagir plus facilement à l'environnement ou effectuer des tâches à usage général. Malgré les difficultés à atteindre l'autonomie énergétique et informatique dans les systèmes à petite échelle, cette étape est cruciale pour réaliser le rêve ultime de microrobots autonomes et autopropulsés. Ici, nous fournissons une solution de prototypage simple vers des SEMR non attachés en remplaçant l'actionneur de manipulation de cargaison d'un SEMR de transport par une carte de circuit imprimé (PCB) alimentée par batterie personnalisée (Matériaux et méthodes). Trois tailles différentes de PCB (Figures supplémentaires 30 à 32) et de batteries non magnétiques (Tableau supplémentaire 4) sont utilisées pour construire les contrôleurs. Sur la figure 4h, nous montrons une image de groupe des SEMR non attachés. La longueur du corps des SEMR UL (pieds libres en forme de L) est de 9 mm et d'environ 20 mm pour les SEMR UR1 (pieds libres rectangulaires n° 1) et UR2 (pieds libres rectangulaires n° 2). Le résumé de ces robots est fourni dans le tableau supplémentaire 5. Le SEMR UL fonctionne sur une surface métallique (Fig. 4i, Fig. 33 supplémentaire) à une vitesse de 1,2 BL/s. Le SEMR UR1 peut fonctionner à une vitesse de 2,1 BL/s sur un substrat imprimé en 3D (Fig. 4j) et nager à une vitesse de 1,25 BL/s dans l'eau (Fig. 34 supplémentaire). La résistance interne élevée des batteries (tableau supplémentaire 4) et les courants d'onde carrée positifs uniquement délivrés par les petits et moyens PCB (Fig. 30 supplémentaire et Fig. 31 supplémentaire) limitent les performances de fonctionnement des SEMR. Par conséquent, nous avons développé un contrôleur plus grand, comprenant un PCB (Fig. 32 supplémentaire) et une batterie (Fig. 35a supplémentaire, Tableau supplémentaire 4) capable d'alterner un courant carré (Fig. 35b supplémentaire). Le SEMR UR2 avec le grand circuit imprimé et la batterie (Fig. 35c–f supplémentaires) peut nager à une vitesse maximale de 1,8 BL/s (Fig. 4k, Fig. 35g, h, Film supplémentaire 10). Les comparaisons entre les SEMR non attachés et les autres robots de la Fig. 1b, de la Fig. 1 supplémentaire, du tableau supplémentaire 1 et du tableau supplémentaire 2 conduisent à la conclusion que nos SEMR possèdent des vitesses élevées pour la course et la natation. Cependant, les SEMR non attachés sont plus lents que les SEMR attachés, en raison d'une augmentation du poids et de la taille (tableau supplémentaire 5), d'une conception simplifiée du contrôleur, de faibles performances de la batterie, qui peuvent toutes bénéficier d'une optimisation supplémentaire. Plus de détails sur les SEMR non attachés sont dans le texte supplémentaire.

En résumé, nous avons présenté des SEMR à petite échelle à très haute vitesse (jusqu'à 70 BL/s), dotés d'une grande robustesse, d'une locomotion multimodale et d'un fonctionnement sans attache qui les rendent parfaitement adaptés à des applications polyvalentes dans des systèmes intelligents à commande électrique. De plus, des champs magnétiques plus forts, tels que l'intérieur d'un appareil IRM28, amélioreront considérablement la vitesse, la puissance et l'efficacité des SEMR9. La fabrication simple et évolutive utilisant l'écriture directe à l'encre 3D les rend parfaitement adaptés aux applications polyvalentes dans les systèmes intelligents à commande électrique et permet le développement de futurs microrobots hautes performances pour la microfabrication flexible, l'administration ciblée de médicaments et la chirurgie non invasive, où l'agilité est d'une importance primordiale5,29,30.

L'élastomère pour la fabrication de films bicouches est préparé en mélangeant une solution d'Ecoflex 00-30 (Smooth-On Inc.) et de Polydiméthylsiloxane (PDMS) (Sylgard 184, Dow Corning Inc.) avec un rapport massique de 1:10. La solution Ecoflex se compose de la partie A et de la partie B d'Ecoflex avec un rapport de masse de 1:1. La solution PDMS se compose d'un rapport massique de 1:10 d'agents de durcissement et de monomères PDMS. Les solutions Ecoflex et PDMS sont mélangées et dégazées dans un mélangeur planétaire sous vide (DAC 600.2 VAC-P, Hauschild & Co. KG) (350 mbar pendant 1 min à 0 rpm, 20 s à 1500 rpm, et 20 s à 2350 rpm). Ensuite, la solution Ecoflex/PDMS est durcie dans un four à 60 °C ou 80 °C pendant 30 min. Les films élastomères bleus sont fabriqués en utilisant le procédé ci-dessus, mais 2 % en poids de poudre colorante supplémentaire (poudre de pigment, Vitarie) ont été ajoutés à la solution Ecoflex/PDMS par mélange.

Le module de cisaillement du composite Ecoflex/PDMS est obtenu en ajustant les données de contrainte-déformation obtenues à partir d'un essai de traction uniaxiale (Fig. 36a supplémentaire, taux de déformation 40 % min−1). La géométrie de l'éprouvette est basée sur la norme européenne EN ISO 527-2:1996 (type 5 A). Sous l'hypothèse d'un modèle hyperélastique néo-hookéen incompressible, le module de cisaillement du composite Ecoflex/PDMS est de 66,5 ± 1,0 kPa.

Le métal liquide (LM), également connu sous le nom de "Galinstan", se compose de gallium, d'indium et d'étain avec un rapport de masse de 69 : 22 : 9 (Smart Elements, smart-elements GmbH). La masse volumique et la résistivité électrique du Galinstan sont d'environ 6,44 g/cm3 et 2,89 × 10−7 Ω m, respectivement, à température ambiante. Les électrodes insérées dans le SEMA/SEMR (Fig. 1, Fig. 4 supplémentaire) sont des fils de cuivre étamés (n° 0601025, Kabeltronik) d'un diamètre de 150 µm. Le courant est fourni au robot via deux fils de cuivre fins de 50 µm (n° 1570224, TRU Components), dans le cas du robot captif.

Deux aimants en NdFeB (N45) sont utilisés dans les expériences. Aimant 1 : un aimant à plaque circulaire (SM-100×30-N, magnets4you GmbH) d'une dimension de ∅ 100 × 30 mm. Aimant 2 : deux aimants plats identiques (3965, EarthMag GmbH) empilés avec une dimension globale de ∅ 120 × 100 mm. L'aimant 2 n'est utilisé que dans les expériences avec SEMR UL et UR2. Nous avons obtenu les champs magnétiques des deux aimants à partir d'expériences et de simulations. Les résultats sont fournis dans le texte supplémentaire.

Les pieds rectangulaires et en forme de dents de scie du robot sont fabriqués en découpant des feuilles de polyimide de 75 µm (300HN, Kapton) dans la forme souhaitée (Fig. 13g supplémentaire) avec une machine de découpe laser ou un scalpel. Les pieds en forme de L (Fig. Supplémentaire 24a, b, Tableau Supplémentaire 3) sont imprimés en 3D avec une imprimante SLA (Form 3, FORMLABS). Pour le SEMR à deux modules, les pieds sont encore modifiés pour s'adapter à la surface en caoutchouc (Fig. 4f, Fig. Supplémentaire 28a, b).

Le substrat en dents de scie est imprimé par une imprimante FDM commerciale (3 Extended, Ultimaker). La géométrie du substrat peut être trouvée sur la Fig. 1a et la Fig. 18 supplémentaire. Le matériau du substrat est le filament ABS Pro (n° 1528301, Renkforce) et l'épaisseur de la couche imprimée est de 0,06 mm.

Papiers abrasifs : les tailles de grain des papiers abrasifs sont 80 (Sp-p80), 180 (Sp-p180) et 400 (Sp-p400) de kwb Germany GmbH ; PDMS : la solution PDMS se compose d'un rapport massique de 1:10 d'agents de durcissement et de monomères PDMS, qui est versé dans un moule imprimé en 3D et durci au four à 60 °C pendant 2 heures. L'épaisseur du film PDMS est de 2 mm ; Papier : papier de bureau A4. Bois : découpé dans un morceau de latte de balsa (n° 1436844, Pichler) ; Métal : la surface de l'aimant 1 ; Plastique : découpé dans une boîte de Pétri en polystyrène (391-0556, VWR) ; Verre : plaque de verre ordinaire d'une épaisseur de 1,9 mm. Caoutchouc : bandes de résistance en latex (Silver, THERABAND)

La structure et les principales parties de l'imprimante 3D à écriture directe à encre (DIW) sont illustrées à la Fig. 2 supplémentaire, qui se compose principalement d'un distributeur de pression (Ultimus V, Nordson EFD) et d'une imprimante commerciale de modélisation par dépôt fondu (FDM) (CR-10 V2, Creality). Le distributeur est relié à une seringue (Optimeter optimum 30CC, Nordson EFD) montée sur la tête d'impression FDM reliée à une pointe conique présentant un diamètre intérieur de 410 µm (7018298, Nordson EFD) ou 200 µm (7018417, Nordson EFD). La pointe de 200 µm est uniquement utilisée pour SEMR UL. Une conduite d'air comprimé et une pompe à vide sont reliées au distributeur pour éjecter et retenir le métal liquide, respectivement hors et dans la seringue. Le distributeur et l'imprimante FDM sont contrôlés par un seul ordinateur de bord (4 modèles B, Raspberry Pi) qui exécute une version personnalisée de l'application, OctoPrint. Un petit turboréacteur accélère l'oxydation de la surface de la trace de métal liquide et un microscope règle l'écart entre la pointe et la surface d'impression. L'écart entre la buse et la surface d'impression est d'environ 0,1 mm. Les codes G pour les motifs imprimés sont générés manuellement ou avec un script personnalisé.

Dans la fabrication des SEMA, le LM est imprimé sur un film élastomère d'une épaisseur initiale d'environ 350 µm réalisé par spin-coating. Les paramètres de revêtement par centrifugation sont fournis dans la Fig. 36b supplémentaire et le Tableau supplémentaire 6. Un cadre en caoutchouc de 400 µm d'épaisseur est placé autour du LM en tant que moule pour la solution d'élastomère non durcie, qui est versée sur les traces LM imprimées. Nous utilisons une lame de verre pour éliminer l'excès de solution d'élastomère. Par la suite, le film bicouche (avec une couche de solution d'élastomère non durcie) est dégazé dans une chambre à vide (100 mbar) pendant plusieurs minutes jusqu'à ce qu'il n'y ait plus de bulles d'air autour des canaux LM. Ensuite, le film bicouche est mis au four (80 °C) pendant une demi-heure pour durcir la solution d'élastomère. Après cela, les électrodes métalliques sont insérées dans le film bicouche pour connecter les canaux LM. Ensuite, quelques gouttelettes de solution d'élastomère sont déposées autour de l'emplacement des électrodes insérées pour mieux sceller le LM. Le film bicouche est à nouveau mis à l'étuve (60°C) pendant une demi-heure pour polymériser les quelques gouttelettes de solution d'élastomère. Enfin, le SEMA est coupé du film bicouche avec une lame chirurgicale. Pour obtenir le SEMA 2, une petite zone carrée (1,4 mm × 1,4 mm) est découpée dans un SEMA 1 avec la lame.

Les films bicouches bleus sont fabriqués en six étapes principales (Fig. 11 supplémentaire). Dans un premier temps, un film élastomère est obtenu par cuisson de la solution mixte Ecoflex/PDMS/poudre colorante (voir rubrique Matériaux et caractérisation) dans un moule en PMMA pendant 30 minutes à 60°C. Ensuite, une série de trous ont été découpés dans le film élastomère préparé avec un découpeur laser. Cela lui permet d'être monté sur un cadre imprimé en 3D pour appliquer des pré-étirements. Différentes trames ont été utilisées pour différents pré-étirements cibles. Pour fabriquer le film de la couche supérieure, une entretoise de 1 mm a été placée sur le film pré-étiré et la solution d'élastomère mixte a été versée à l'intérieur. La solution en excès au-dessus de l'entretoise est retirée du cadre par une lame en plastique tranchante. Un autre processus de durcissement du film de la couche supérieure dure 30 minutes à 60 °C. Enfin, un film bicouche est découpé du cadre avec un scalpel et devient incurvé. Les résultats expérimentaux sont illustrés dans la Fig. 12 supplémentaire.

Dans la fabrication des SEMR, le LM est imprimé sur un film élastomère étiré fixé sur un cadre imprimé en 3D (Fig. 1a, Fig. 13 supplémentaire). Les étapes suivantes sont similaires à la fabrication des SEMA jusqu'à la fixation de deux pieds avec de la super glue (Ultra Gel Matic, Pattex). Des détails sur ces SEMR sont fournis dans le texte supplémentaire.

Le système de contrôle (Fig. 6 supplémentaire) se compose d'un ordinateur monocarte Raspberry Pi 4 modèle B, d'une carte pilote PWM Adafruit à 16 canaux (PCA9685) et de plusieurs ponts en H Digilent Pmod HB3. Le pilote PWM et les ponts en H sont alimentés par le régulateur 3,3 V embarqué du Raspberry Pi. Le logiciel de contrôle est écrit en Python et exécuté sur le Raspberry Pi. La communication avec le pilote PWM est facilitée par un bus I2C. Le pilote PWM génère des signaux d'onde carrée avec une fréquence et un rapport cyclique spécifiés, comme programmé. Ces signaux de sortie sont utilisés pour piloter les broches EN (activation) des ponts en H. De plus, les broches GPIO du Raspberry Pi sont utilisées pour changer la direction (polarité) des ponts en H. Les bornes d'entrée du pont en H sont connectées à une alimentation de table (GPO-33030, GW Instek), ce qui permet de limiter le courant maximal traversant le pont en H. Chaque actionneur est connecté à l'une des bornes de sortie des ponts en H via des fils magnétiques fins d'un diamètre de 0,05 mm (n° 1570224, TRU COMPONENTS).

Les SEMA sont placés verticalement, perpendiculairement à la surface de l'aimant et serrés par une structure de support en plastique (Fig. 7a supplémentaire). Le canal de métal liquide le plus bas des SEMA est à environ 6 mm de la surface de l'aimant. Les SEMA sont actionnés par le système de contrôle PWM. Dans le test de flexion statique, un courant continu constant est appliqué au SEMA, tandis que pour la flexion dynamique, il est actionné par un courant rectangulaire (Fig. 7e supplémentaire).

Les simulations numériques sont réalisées avec le logiciel commercial ABAQUS/Standard (SIMULIA, Dassault Systèmes). Pour simuler le film bicouche étiré/SEMR, un sous-programme utilisateur UMAT est utilisé. Des détails sur le sous-programme sont fournis dans le texte supplémentaire, section 1.1. "Simulation numérique des films bicouches". Le modèle de matériau hyperélastique néo-hookéen est utilisé pour modéliser le comportement mécanique de l'élastomère avec un module de cisaillement de 66,5 kPa obtenu à partir de la caractérisation expérimentale. Le coefficient de Poisson est fixé à 0,49. Dans la simulation, le métal liquide est remplacé par l'élastomère pour simplifier, du fait de la faible fraction volumique de LM au sein de l'élastomère.

Le robot est fixé par les fils de cuivre à un support à environ 11 mm au-dessus de la surface de l'aimant (Fig. 14a supplémentaire). L'analyse de la fréquence de résonance a été effectuée avec un générateur de fonctions (33250 A, Agilent) comme source de signal. La sortie du générateur de fonctions est envoyée à un circuit amplificateur tampon sur mesure alimenté par une alimentation de table (EA-PS2316-050, EA Elektro-Automatik), capable de fournir jusqu'à 5 A de courant. L'actionneur est piloté directement par la sortie de l'amplificateur. Une résistance haute puissance d'un Ohm (HS150 1 R J, Arcol) est ajoutée en série à l'actionneur, servant de résistance shunt. Cela permet de mesurer la forme d'onde du courant à l'aide d'un oscilloscope numérique (GDS-11048, GW Instek) via la loi d'Ohm. Le générateur de fonctions est contrôlé par un ordinateur et la fréquence est incrémentée de 1 Hz toutes les secondes. La réponse aux courants sinusoïdaux et rectangulaires dans la plage 1-100 Hz a été mesurée de cette manière. La vibration est enregistrée par une caméra numérique et le déplacement horizontal des pieds du robot est obtenu par analyse vidéo avec un script personnalisé (MATLAB, MathWorks).

La vitesse des SEMR est mesurée en analysant les images des vidéos. Pour localiser le robot dans le cadre, nous binarisons d'abord le cadre pour séparer le corps en ajustant le seuil entre le blanc (corps) et le noir (arrière-plan). Ensuite, nous obtenons la position du robot en calculant le centre de la zone corporelle ou le centre de la limite dans le sens de la marche. Tous ces processus sont effectués avec un script personnalisé (Python ou MATLAB). La position du robot peut également être suivie en utilisant la bibliothèque de vision par ordinateur OpenCV ou le logiciel "Tracker" (https://physlets.org/tracker/). La vitesse mesurée est définie comme la vitesse moyenne sur une période de 50 ms, sauf indication contraire.

La configuration expérimentale est similaire au test de marche et de course. Le SEMR TL est posé à la surface de l'aimant. Le robot est entraîné par le système de commande PWM avec un courant rectangulaire (0,2 A, 1 Hz). Dans le film supplémentaire 5, le SEMR TL récupère ses capacités opérationnelles, après avoir été manuellement enfoncé et aplati par une barre en plastique. La force maximale de ce test est estimée en aplatissant le robot sur une balance (GP3202, Sartorius) et équivaut à environ 300 g.

Le corps du SEMR TL est également comprimé par une machine d'essai de traction (Z005, ZwickRoell) jusqu'à 2000 N. Pendant le test, la résistance du SEMR est enregistrée par un multimètre (2110, Keithley) en utilisant une méthode de mesure de résistance à 4 fils.

Cette configuration est illustrée à la Fig. 8 supplémentaire. Un thermocouple est collé au centre du SEMA avec de la super colle. Le SEMA 1 est soumis à des courants rectangulaires d'amplitudes 0,1 A, 0,3 A et 0,5 A. Le SEMA est laissé refroidir à température ambiante entre les mesures. Pour chaque courant, la mesure dure 1000 s.

Les petits et moyens circuits imprimés (Figs. 30 et 31 supplémentaires) pilotant le robot non attaché se composent d'un circuit intégré de minuterie à 555 variantes (IC) (MIC1555, Microchip) et d'un transistor à effet de champ métal-oxyde-semi-conducteur à canal n (MOSFET). Le minuteur IC est configuré comme un multivibrateur astable via une résistance externe et un condensateur. Cela se traduit par la génération d'un signal carré à la sortie, la constante de temps résistance-condensateur (RC) déterminant la fréquence. La broche de sortie est connectée à la grille du MOSFET et les contacts du robot sont connectés au drain. L'alimentation est fournie par une batterie Lithium-Polymère, spécialement conçue sans matériaux ferromagnétiques (pas de feuille de nickel). Lorsque la minuterie émet un signal haut, le MOSFET est activé et le courant circule dans le robot.

Le grand PCB (Fig. 32 supplémentaire) résout certains des inconvénients des versions plus petites, tels que l'absence de régulation de tension et la restriction aux tensions de sortie positives. Ceci est facilité par l'ajout d'un circuit intégré de pilote de moteur avec un pont en H intégré (DRV8832, Texas Instruments). Le signal de sortie à onde carrée de la puce de minuterie est introduit dans l'une des deux broches d'entrée du circuit intégré de commande. L'autre broche d'entrée est connectée au même signal via un inverseur. Les broches d'entrée ont donc des valeurs logiques opposées à tout moment. Cela fait que le circuit intégré du pilote change de "direction" après chaque demi-cycle du signal d'entrée. La charge est alternativement connectée à la tension de la batterie et à la tension inverse de la batterie via le circuit du pont en H. La régulation de la tension est réalisée côté charge en passant à la modulation PWM pour maintenir la tension d'entrée au-dessus d'une valeur définie. Cela garantit que la fréquence d'entraînement reste stable, tandis que la puissance de sortie est réduite. Il a également pour effet d'empêcher une décharge excessive de la batterie.

Nous avons conçu et dessiné tous les PCB avec le logiciel KiCad EDA (https://www.kicad.org/).

Trois types de piles au lithium non magnétiques sont utilisés dans ce travail (tableau supplémentaire 4). Lors de la mesure, la batterie est connectée en série à un compteur source (2611 A, Keithley) et en parallèle à un oscilloscope (GDS-1104B, GW Instek). Le compteur source fournit une impulsion de courant négative de 500 ms (l'appareil absorbe le courant). La tension est mesurée avec l'oscilloscope directement aux bornes de la batterie (essentiellement une détection à 4 fils). La première mesure est la tension en circuit ouvert \({V}_{{{\rm{open}}}}\). La seconde mesure \({V}_{{{\rm{impulsion}}}}\) est effectuée 100 ms après le début de l'impulsion. La résistance interne de la batterie est calculée par \({R}_{{{{{{\rm{in}}}}}}}=({V}_{{{\rm{open}}}}-{V}_{{{\rm{pulse}}}})/I\).

La plupart des images de microscopie optique ont été enregistrées à l'aide d'un microscope Nikon Eclipse LV100ND. La figure supplémentaire 3g est enregistrée par le microscope optique BRESSER Erudit DLX (n° 5102000) avec la caméra oculaire BRESSER MikrOkular. Sauf indication contraire, un appareil photo numérique (EOS 80D, Canon) a été utilisé pour les photos et les vidéos à une fréquence d'images de 50 ips et une résolution de 1920 × 1080 pixels. La vue latérale du robot nageur SEMR TST a été enregistrée par une autre caméra (GC-PX10, JVC) avec les mêmes paramètres. Toutes les vidéos au ralenti ont été enregistrées par une caméra haute vitesse (Chronos 2.1-HD, Krontech). La plupart d'entre eux ont été enregistrés à une fréquence d'images de 2142 ips avec une résolution de 1280 × 720 pixels. L'expérience mettant en vedette la vibration du SEMR soumis à deux courants d'onde carrée (0, 5 A, 37 Hz) (Fig. 2h) a été enregistrée à une fréquence d'images de 4230 ips avec une résolution de 1280 × 360 pixels. Pour le test de décroissance d'oscillation (Fig. 40 supplémentaire), la vidéo a été enregistrée à une fréquence d'images de 5406 ips avec une résolution de 640 × 480 pixels.

Toutes les données nécessaires pour évaluer les conclusions de l'article sont présentes dans l'article et/ou les documents supplémentaires. Des données supplémentaires liées à cet article peuvent être demandées aux auteurs.

Le code utilisé dans cet article est disponible sur toute demande raisonnable.

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Nous remercions Andreas Heiden, David Preninger, Reinhard Schwödiauer et Simona Bauer-Gogonea pour leur aide dans les expériences et Christa Mitschan pour leur soutien mental. Nous remercions également Yong Wang de l'Université du Zhejiang pour la précieuse discussion sur les vibrations. Ce travail a été soutenu par l'ERC Starting Grant 'GEL-SYS' sous l'accord de subvention no. 757931 (MK).

Ces auteurs ont contribué à parts égales : Guoyong Mao, David Schiller.

Laboratoire de matériaux souples, Institut de technologie de Linz, Université Johannes Kepler, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Autriche

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

Division de physique de la matière molle, Institut de physique expérimentale, Université Johannes Kepler, Altenberger Str. 69, 4040, Linz, Autriche

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

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GM, NA et MK ont conçu et lancé le projet. GM a conçu les robots. DS a construit les contrôleurs électroniques. GM a effectué l'analyse numérique. NA et GM ont développé le cadre théorique. GM, DS, DD, BH, FH, TS et MD ont mené les expériences. GM, DS, DD, BH, NA et MK ont analysé les résultats. GM et MK ont écrit le manuscrit avec des commentaires et des matériaux de tous les auteurs. MK a supervisé la recherche.

Correspondance à Guoyong Mao ou Martin Kaltenbrunner.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

Nature Communications remercie les évaluateurs anonymes pour leur contribution à l'évaluation par les pairs de ce travail. Les rapports des pairs examinateurs sont disponibles.

Note de l'éditeur Springer Nature reste neutre en ce qui concerne les revendications juridictionnelles dans les cartes publiées et les affiliations institutionnelles.

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Réimpressions et autorisations

Mao, G., Schiller, D., Danninger, D. et al. Robots électromagnétiques souples ultrarapides à petite échelle. Nat Commun 13, 4456 (2022). https://doi.org/10.1038/s41467-022-32123-4

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Reçu : 15 mars 2022

Accepté : 18 juillet 2022

Publié: 09 août 2022

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

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