一直以来，无线无源的原位监测对于密闭空间的探索至关重要。比如监测密闭生活水管内的水质和病原体污染可以通过及时发现污染来帮助保护公众健康，避免与饮食有关的疾病，以及控制病毒性传染病的传播。其中，小型柔性机器人由于其尺寸小，运动灵活等特点，对于狭窄封闭空间的探索和监测发挥了关键作用。然而，现有的机器人系统，尤其小尺寸柔性机器人，在多功能自主检测（尤其是集成多传感的无线小型柔性机器人系统）方面的发展一直是欠缺的。因此，在柔软的机器人本体上集成多重传感功能，并且同时确保机器人尺寸的小型化和运行的无线化，是开发软体机器人极具挑战性的难题。
香港城市大学于欣格教授课题组联合大连理工大学解兆谦教授、北京航空航天大学大学常凌乾教授开发了一款能够实现封闭空间里水质和病毒监测的小尺寸、无线、无源、高度集成的柔性机器人系统（SES）。作者设计了一款高度集成的传感器模块，以无线、无源电驱动柔性机器人为主体，能够实时、原位监测密闭空间（比如水管）中的氯离子（Cl-）、铵离子（NH4+）以及新冠病毒的浓度。开发的超薄生物传感器模块具有良好的柔性、抗腐蚀性、高灵敏度、快速响应能力以及抗干扰能力，能够特异性地实现水质和病原体的原位监测。通过射频供电方式，该柔性软体机器不需要任何外接电源就可以在封闭空间中不受束缚地快速运动。最终，结合无线数据采集模块和近场通信技术，传感器数据和机器人运动情况显示在智能手机图形用户界面上，从而实现对密闭空间里不同区域的水质和病原体污染的实时评估。
图1：无源无线SES监测系统的结构与功能。
(A)系统的爆炸示意图，包含四个关键模块，包括(1)无源无线射频供电，(2)电磁致动器，(3)离子和病毒监测集成传感器，(4)NFC无线传感。(B)电磁驱动线圈的有限元模拟磁场分布。(C)电磁驱动时软尾的振动幅度有限元分析。
视频1
图2：无源无线驱动策略。
(A) 无线射频供电示意图。(B)无线驱动系统电路图。(C)致动模块的光学照片，包括接收天线和致动器线圈。(D) 发射器线圈和接收器天线之间的匹配谐振频率测试。(E)无线致动过程：频率可调触发器下的波形输入、功率放大、无线射频供电、整流、稳压和方波电压驱动。(F) 实验驱动线圈上的驱动电压和模拟耦合系数k随同轴发射线圈与接收天线之间距离的变化。(G)无线驱动 SES 在管中游动。(H) 利用 NFC 收发器或谐振峰测试线圈在不透明的管道中定位 SES 系统。(I)与 SES 系统在不透明试管中的位置相对应的最强共振峰。
视频2
图3：在密闭空间中不受限制的运动和转向。
(A)位于狭窄管道中的SES。(B)在黑暗中，SES在没有LED跟踪的限制下绕着狭窄的通道旋转。(C)升级的带有对称接收天线和电磁致动单元的方向可控的SES俯视图。(D)在输入电压为700 mV，垂直距离为2 cm时，致动线圈上的致动电压分布与发射线圈和接收天线之间的水平距离的关系。(E)在透明丙烯酸树脂覆盖的密闭水池中控制机器人转向运动。
图4：无线SES的共振设计及游泳性能优化。
（A）水中SES的模拟谐振频率和振动模式。该机器人的尾巴长13毫米，在8和31 Hz的频率下展现了两种谐振模式。（B不同尾巴长度情况下游泳速度与尾巴跳动频率的关系。（C）不同尾巴长度情况下共振模式1和共振模式2对应的模拟和实验共振频率。（D）在8毫米尾巴长度情况下，不同摆动频率的行程距离。15 Hz的摆动频率表现出最快的速度。（E）在致动周期中，软尾摆动状态的主视图。（F）在8毫米尾巴长度情况下，每个周期的行程距离和尾巴摆动频率的关系。（G）y游动速度与输入电压的关系。
视频3
图5：集成离子和病毒传感器。
(A)具有NH4+，Cl-和SARS-CoV-2病毒检测功能的集成传感器的爆示意图。(B)未封装的集成传感器照片。(C)多层结构离子传感器的横断面扫描电子显微镜(SEM)图像，包括PI、PEDOT:PSS和离子选择性膜。(D) SARS-CoV-2病毒传感器叉指电极的设计。(E) SARS-CoV-2传感器喷在叉指电极上的石墨烯的SEM图像。(F) NH4检测示意图。(G)不同NH4+浓度下NH4+传感器的电压响应。(H) NH4+浓度与电压响应的线性关系。(I) NH4+传感器的防腐性能。(J) Cl-检测示意图。(K)不同Cl-浓度下Cl-传感器的电压响应。(L) Cl-浓度与电压响应的线性关系。(M) Cl-传感器的防腐性能。(N) SARS-CoV-2免疫传感器示意图。(O)不同浓度SARS-CoV-2病毒溶液下阻抗值的变化百分比。(P)在0.2 v的测试电压下，病毒浓度与电流值的线性关系。(Q) SARS-CoV- 2免疫传感器的防腐性能。
图6：无线无源监测离子和病毒的SES系统。
(A) 集成了无线供电和传感模块的无源SES系统的侧面和底部视图。(B)无线传感电路逻辑图和智能手机界面。(C) NFC模块工作谐振频率。(D)通过SES系统和智能手机测试自来水和泳池水。(E) SES系统检测到的自来水和泳池水中离子浓度。(F)应用演示:无电池无绳驱动SES系统及其对密闭管道中离子/病毒的无线监测。
作者报告一种高度集成的无线无源的柔性机器人系统用于水质和病毒监测。该系统集成了柔性氯离子、铵离子和病原体传感器，能够特异性地实时、原位监测封闭空间尤其水管中的氯离子、铵离子以及病毒浓度。该传感器模块具有高灵敏度、抗干扰能力以及抗腐蚀性。该系统的柔性机器人舍弃了电池这一选择，通过射频方式来无线化地驱动机器人系统，即可保证机器人系统的快速运动，又可避免电池负重引起的机器人尺寸和重量的增加。最后结合近场通信技术通过智能手机无线化地读取所有检测数据，并显示在智能手机图形用户界面上，实现了对水质和病原体污染情况的实时评估。
【参考文献】
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk6301
无法设置外链，请点击下方阅读全文浏览。
【相关阅读】
...................................................
WEST可穿戴电子b微信群开通。欢迎加入、推荐、分享和交流，谢谢！
该平台免费提供相关领域的论文宣传和招生招聘，有兴趣请关注订阅号给小编留言或者邮件联系 E-mail：wonger.west@gmail.com
