三自由度机械臂的三维设计
三自由度机械臂的三维设计背景底座设计机械臂设计关节连接方式底座与机械臂的连接方式效果背景写本篇文章的时候只是模型设计完成以及部分零件进行了采购，最终是否能实现不能确定，某些图片过于辣眼，请多担待。继续之前的智能车制作，我的想法是一个多功能的智能小车它至少得有手有眼吧，所以继摄像头云台的制作结束后我又进行了机械臂的设计，最初对于机械臂的了解真的是非常的少，当时的想法是一个关节一个舵机呗，大概是这样：但是我觉得这样有点丑，而且这样的话用的舵机也不少，不是很物美价廉，所有我又找到了这种结构：
类人机器人的新衣：三维仿生皮肤的设计与制备
原创CellPressCellPress细胞科学
物质科学Physicalscience
作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。
2022年第十九期（总第103期）专栏文章，由来自中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员、中科院青年创新促进会会员童丽萍，就Matter中的论文发表述评。
电视剧《西部世界》（Westworld）为我们讲述了在遥远的将来，一个叫做“西部世界”的游乐园中发生的故事。特别的是，这个游乐园中的接待员全都是类人机器人，即按照人的形态和特征创造、并且可以与人类进行无缝互动的智能机器人。可以想象在未来，这样的类人机器人可能出现在医院、机场、餐厅、加油站等我们生活周边的各种场景中，执行服务人类的任务。类人机器人的建造，不仅需要建立和谐自然的人机交互系统和操作界面，还需要打造与人更为相似和逼真的外形和生理功能，以唤起使用者的亲切感，提高与人类信息交换的效率。因此开发具有逼真色调和人类皮肤纹理的类人皮肤覆盖材料势在必行。除外形的高度仿生外，这些覆盖材料还被寄希望于功能上的仿生，如具有自愈能力，甚至可以进行类似于人类的皮肤移植手术，以适用于不确定的动态任务环境。
▲图1类人机器人
有“机器人王国”美称的日本在类人机器人研究领域一直走在世界前沿。近日，一支来自日本东京大学的研究团队就为类人机器人研发了一款“活”皮肤。与目前绝大多数人造皮肤基于二维平面片材的制备策略所不同的是，该研究团队按照“真皮层--表皮层”的设计和构建思路，直接在三关节机械手指上立体成型（图2）。首先利用包含有人真皮成纤维细胞（humandermalfibroblasts，NHDFs）的胶原溶液倒入预成型的PDMS模具中，培养、收缩后得到成熟的类真皮。在此过程中，预先设置在机械手指底座周边的锚定结构（AnchoringStructure，图2A）能固定住类真皮的边缘，不仅可以防止类真皮因为收缩导致的回缩和脱落，还可以利用收缩过程中产生的张力使得类真皮能紧紧贴附在机械手指的表面。随后在所形成的三维类真皮上种植人的表皮角质细胞（humanepidermalkeratinocytes，NHEKs），促进其沉降和粘附，从而模仿人体皮肤表皮层形成紧密的细胞连接（cell-celljunctions）。需要注意的是，与二维平面上细胞的种植与粘附状态不同，三维立体外表面若想形成致密细胞粘附层，需要从不同角度多次重复上述“种植-沉降-粘附”步骤，并配合PDMS模具使用，以达到防止细胞悬液滑落，最终形成均匀包裹的目的（图2B）。
▲图2“活”皮肤制备过程示意图
研究人员系统比较了锚定结构的使用、帽形结构的设计以及NHEKs种植的方向与时长对三维“活”皮肤的收缩、各向均一性与表皮层细胞覆盖率的影响。结果表明，锚定结构的使用可以使制备过程中类真皮层的收缩长度减少约一半，帽形结构的设计可以使形成的xx厚度更均匀，而从两个方向旋转和多次种植NHEKs的方式可以显著提高均匀致密表皮层的形成。冰冻切片与染色结果证实表皮层无缝覆盖于真皮层上，并且两层组织均匀分布；针对皮肤功能的电容、电阻测试和保水性测试均证实了功能表皮层的形成。
覆盖在机械手指上的“活”皮肤可紧密贴合在手指上并随之运动，表现出足够的强度和弹性抵抗运动过程中产生的形变（图3A）。由于致密表皮层的存在，“活”皮肤可表现出一定的防水性（图3B）、可擦拭性，并可以帮助机械手指摆脱细小颗粒的静电吸附（图3C），从而可以在更多环境中执行任务。更为有趣的是，该款“活”皮肤还具有损伤愈合的能力：在指背人为制造伤口，覆盖无细胞的胶原蛋白片（collagensheet），7天培养后可完全愈合伤口，愈合后的伤口可随手指关节运动不开裂（图3D）。机理研究表明“活”皮肤中的NHDF可迁移进入胶原蛋白片，促进伤口愈合，这一行为与人体皮肤发生创伤后细胞迁移的行为极为相似。
▲图3“活”皮肤的功能展示
该研究的最大亮点工作为：将机械设计（锚定结构、帽状设计）与材料、活细胞共同用于材料制备中，解决了三维类皮肤体外构建时遇到的收缩、变形、不均匀、与机械手指的贴合度以及自愈等难题。除作为类人机器人的皮肤外，此款活皮肤还可被用于生物学研究以及医疗领域，例如深度烧伤等造成的严重创伤后皮肤移植治疗。
论文摘要
类人机器人是指具有人类外形或特征的智能机器人;这类机器人具有与人类进行无缝互动的潜在能力。通过复制人类的外表和功能(例如，自愈)，赋予类人机器人与人类建立更加和谐自然的互动能力。因此，在本研究中我们提出一种由细胞和细胞外基质组成，具有类似人皮肤自愈能力的“活”皮肤模型作为机器人的覆盖材料，并开发了一种将“活”皮肤覆盖在三维物体表面的方法，最后制造了一个覆盖类皮肤的三关节机器人手指。此外，受临床使用嫁接水凝胶治疗皮肤深度烧伤的启发，我们将胶原蛋白片移植至受伤“活”皮肤，证实了其具有自愈的能力。基于上述结果，本研究显示了将所开发“活”皮肤作为类人机器人覆盖材料的应用潜力。
Humanoidsarerobotscreatedwithhumanformsorcharacteristics;theserobotsalsohavethepotentialtoseamlesslyinteractwithhumanbeings.Byreplicatingtheappearancesandfunctions(e.g.,selfhealing)ofhumanbeings,humanoidshavethepotentialtoestablishmoreharmonicandnaturalhuman-robotinteractions.Here,weproposetheuseofskinequivalent,alivingskinmodelconsistingofcellsandextracellularmatrix,asahuman-likeandself-healingcoveragematerialforrobots.Wefabricatedathree-jointroboticfingercoveredwithskinequivalentbydevelopingamethodtocoverthree-dimensionalobjectswithskinequivalent.Furthermore,inspiredbythemedicaltreatmentofdeeplyburnedskinusinggraftedhydrogels,wedemonstratedwoundrepairofadermisequivalentcoveringaroboticfingerbyculturingthewoundedtissuegraftedwithacollagensheet.Withtheaboveresults,thisresearchshowsthepotentialofusingskinequivalentashuman-likeandselfhealingcoveragematerialforrobots.
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评述人简介
童丽萍
中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员
中国科学院青年创新促进会会员
lp.tong@siat.ac.cn
童丽萍，生物物理学博士，中国科学院深圳先进技术研究院医药所研究员，主要从事功能性生物医用材料（骨、血管植介入材料）的构建，以及外场物理调控植介入材料的功能。近年来，围绕外界物理因素协同组织工程支架调控骨组织再生开展了系列研究工作。2020年入选中国科学院青年创新促进会。
LipingTongisaProfessorinInstituteofBiomedicineandBiotechnology,ShenzhenInstitutesofAdvancedTechnologyCAS.Shemainlyfocusesontheconstructionofbiomaterials,liketheboneimplantsandvasculargraft,andresearchonsynergeticeffectsofexternalphysicalstimuliandtheimplants.Dr.TongwasselectedasthememberofYouthInnovationPromotionAssociationofCASin2020.
中国科学院青年创新促进会（YouthInnovationPromotionAssociation，ChineseAcademyofSciences）于2011年6月成立，是中科院对青年科技人才进行综合培养的创新举措，旨在通过有效组织和支持，团结、凝聚全院的青年科技工作者，拓宽学术视野，促进相互交流和学科交叉，提升科研活动组织能力，培养造就新一代学术技术带头人。
YouthInnovationPromotionAssociation(YIPA)wasfoundedin2011bytheChineseAcademyofScience(CAS).Itaimstoprovidesupportforexcellentyoungscientistsbypromotingtheiracademicvisionandinterdisciplinaryresearch.YIPAhascurrentlymorethan4000membersfrom109institutionsandacrossmultipledisciplines,includingLifeSciences,EarthScience,Chemistry&Material,Mathematics&Physics,andEngineering.Theyareorganizedin6disciplinebranchesand13localbranches.
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[论文]三维机器人主动嗅觉仿真平台设计
天津大学
康张琦
2018年
研究领域：机器人主动嗅觉
摘要:当气味泄漏发生时，对危险气味进行快速准确的探测、跟踪和定位非常重要.本领域人员目前主要采用地面移动机器人在二维环境下开展主动嗅觉的研究，但现实环境下气味在三维空间扩散，因此开展三维环境下的主动嗅觉研究非常必要。考虑到大量开展三维主动嗅觉的实验难度较大且实际环境下气味烟羽无法重复，本文基于旋翼无人机对三维机器人主动嗅觉仿真平台的设计展开了研究。
主要工作1.建立了旋翼气动效应和无人机位姿运动对气味扩散影响的数值化模型。通过流体力学中的涡方法对旋翼旋转产生的风场进行了理论分析，将旋翼旋转产生的尾迹简化为螺旋状的涡丝结构，建立了涡丝运动的微分控制方程，根据涡丝的位置可以计算出空间中旋翼产生的扰动气流场。无人机在气味嗅探过程中产生位姿运动，通过建立无人机动力学模型和控制器模型可以准确地模拟无人机的运动过程，然后与旋翼涡丝模型相结合可以仿真出无人机运动过程中产生的扰动流场。2.开发了用于三维空间中机器人主动嗅觉研究的仿真平台。通过FLUENT对空间平流风场进行仿真，并将数据处理后接入三维仿真平台中作为环境风场。编写了旋翼涡丝模型、无人机动力学模型和控制器模型等程序，并通过并行计算对无人机旋翼影响下的扰动流场进行求解。三维仿真平台可模拟单旋翼、三旋翼、四旋翼、六旋翼等多种旋翼机器人在嗅探过程中对气味扩散的影响，最后基于烟丝的大气扩散模型模拟了气味烟羽的扩散过程。