The limited force or torque outputs of miniature magnetic actuators constrain the locomotion performances and functionalities of magnetic millimeter-scale robots. Here, we present a magnetically actuated gearbox with a maximum size of 3 millimeters for driving wireless millirobots. The gearbox is assembled using microgears that have reference diameters down to 270 micrometers and are made of aluminum-filled epoxy resins through casting. With a magnetic disk attached to the input shaft, the gearbox can be driven by a rotating external magnetic field, which is not more than 6.8 millitesla, to produce torque of up to 0.182 millinewton meters at 40 hertz. The corresponding torque and power densities are 12.15 micronewton meters per cubic millimeter and 8.93 microwatt per cubic millimeter, respectively. The transmission efficiency of the gearbox in the air is between 25.1 and 29.2% at actuation frequencies ranging from 1 to 40 hertz, and it lowers when the gearbox is actuated in viscous liquids. This miniature gearbox can be accessed wirelessly and integrated with various functional modules to repeatedly generate large actuation forces, strains, and speeds; store energy in elastic components; and lock up mechanical linkages. These characteristics enable us to achieve a peristaltic robot that can crawl on a flat substrate or inside a tube, a jumping robot with a tunable jumping height, a clamping robot that can sample solid objects by grasping, a needle-puncture robot that can take samples from the inside of the target, and a syringe robot that can collect or release liquids.

中文翻译：

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用于毫米级机器人无线控制的磁驱动齿轮箱

微型磁性致动器的有限力或扭矩输出限制了磁性毫米级机器人的运动性能和功能。在这里，我们展示了一个最大尺寸为 3 毫米的磁驱动齿轮箱，用于驱动无线微型机器人。齿轮箱使用参考直径低至 270 微米的微型齿轮组装而成，并由填充铝的环氧树脂通过铸造制成。通过将磁盘连接到输入轴上，变速箱可以由不超过 6.8 毫特斯拉的旋转外部磁场驱动，在 40 赫兹时产生高达 0.182 毫牛顿米的扭矩。相应的扭矩和功率密度分别为每立方毫米 12.15 微牛顿米和每立方毫米 8.93 微瓦。齿轮箱在空气中的传动效率在 1 至 40 赫兹的驱动频率范围内为 25.1 至 29.2%，当齿轮箱在粘性液体中驱动时，它会降低。这种微型齿轮箱可以无线访问并与各种功能模块集成，以反复产生大的驱动力、应变和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械联动装置。这些特性使我们能够实现可以在平坦基板上或管内爬行的蠕动机器人、可调节跳跃高度的跳跃机器人、可以通过抓取对固体物体进行取样的夹持机器人、可以取样的针刺机器人从目标内部，以及一个可以收集或释放液体的注射器机器人。在 1 到 40 赫兹的驱动频率范围内为 2%，当齿轮箱在粘性液体中驱动时降低。这种微型齿轮箱可以无线访问并与各种功能模块集成，以反复产生大的驱动力、应变和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械联动装置。这些特性使我们能够实现可以在平坦基板上或管内爬行的蠕动机器人、可调节跳跃高度的跳跃机器人、可以通过抓取对固体物体进行取样的夹持机器人、可以取样的针刺机器人从目标内部，以及一个可以收集或释放液体的注射器机器人。在 1 到 40 赫兹的驱动频率范围内为 2%，当齿轮箱在粘性液体中驱动时降低。这种微型齿轮箱可以无线访问并与各种功能模块集成，以反复产生大的驱动力、应变和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械联动装置。这些特性使我们能够实现可以在平坦基板上或管内爬行的蠕动机器人、可调节跳跃高度的跳跃机器人、可以通过抓取对固体物体进行取样的夹持机器人、可以取样的针刺机器人从目标内部，以及一个可以收集或释放液体的注射器机器人。这种微型齿轮箱可以无线访问并与各种功能模块集成，以反复产生大的驱动力、应变和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械联动装置。这些特性使我们能够实现可以在平坦基板上或管内爬行的蠕动机器人、可调节跳跃高度的跳跃机器人、可以通过抓取对固体物体进行取样的夹持机器人、可以取样的针刺机器人从目标内部，以及一个可以收集或释放液体的注射器机器人。这种微型齿轮箱可以无线访问并与各种功能模块集成，以反复产生大的驱动力、应变和速度；将能量储存在弹性元件中；并锁定机械联动装置。这些特性使我们能够实现可以在平坦基板上或管内爬行的蠕动机器人、可调节跳跃高度的跳跃机器人、可以通过抓取对固体物体进行取样的夹持机器人、可以取样的针刺机器人从目标内部，以及一个可以收集或释放液体的注射器机器人。