新型軟體材料機(jī)器人技術(shù)探究

阮少偉

【摘 要】軟體機(jī)器人是使用軟體材料制作，結(jié)構(gòu)柔軟，自由度極高，易適應(yīng)環(huán)境，具有良好的生物相容性，在醫(yī)療衛(wèi)生、教育服務(wù)、緊急救援和智能制造等方面有廣闊的應(yīng)用前景。軟體機(jī)器人的材料工藝和驅(qū)動結(jié)構(gòu)是軟體機(jī)器人功能多樣性的重要來源。本文從材料和驅(qū)動結(jié)構(gòu)兩方面介紹了近年軟體機(jī)器人的研究進(jìn)展，材料方面包括了記憶合金、彈性體材料和軟體電路材料，而驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面的研究進(jìn)展則通過爬行機(jī)器人、蠕動機(jī)器人和昆蟲仿生機(jī)器人等例子來介紹。本文還分析了軟體機(jī)器人面臨的主要挑戰(zhàn)，為未來的研究方向提供了指引。

【關(guān)鍵詞】軟體機(jī)器人;軟體材料;仿生

中圖分類號： TP242 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）22-0040-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.22.016

0 前言

近5年，不斷發(fā)展的仿生學(xué)和材料學(xué)為機(jī)器人技術(shù)帶來了全新的研究方向。傳統(tǒng)機(jī)器人多由合金和工程塑料等制成，楊氏模量在109-1012Pa范圍，而生物組織如皮膚和肌肉的模量約為104-109Pa，比剛體材料小了1000倍以上[1]。因此，運(yùn)用3D打印以及與生物組織模量相仿的柔性新材料可以做出與傳統(tǒng)機(jī)器人不一樣的軟體材料機(jī)器人。這類機(jī)器人具有無限的自由度，能隨意彎曲扭轉(zhuǎn)甚至變形，運(yùn)作過程安全柔順，較傳統(tǒng)機(jī)器人有更強(qiáng)的適應(yīng)能力和更多的功能，在醫(yī)療衛(wèi)生、教育服務(wù)、緊急救援和智能制造等方面有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)機(jī)器人設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和控制技術(shù)并不適用于軟體機(jī)器人，軟體機(jī)器人為機(jī)器人學(xué)開辟了全新的發(fā)展空間，其結(jié)構(gòu)原理、材料工藝、控制方法和設(shè)計(jì)理論等方面具有巨大的研究價(jià)值。

本文介紹了軟體機(jī)器人材料和驅(qū)動結(jié)構(gòu)的最新研究進(jìn)展，分析了軟體機(jī)器人待解決的問題，為進(jìn)一步研究提供了參考。

1 研究進(jìn)展

1.1 材料

軟體機(jī)器人的關(guān)鍵在于智能柔性材料的應(yīng)用，這不光包括機(jī)器人主體的材料，也包含電路、電子零件以及電源的材料。不同的材料選擇決定了機(jī)器人的最大負(fù)載、變形、續(xù)航以及耐用度等性能。目前制作軟體機(jī)器人的主要材料有以下3種：形狀記憶合金;彈性體高分子材料;高分子復(fù)合物。此外，部分柔性電子材料也開始應(yīng)用。

形狀記憶合金是一種在受到有限的塑性形變后，可通過調(diào)節(jié)溫度使其回復(fù)到形變前狀態(tài)的材料。其原理在于記憶合金獨(dú)有的馬氏體相變，低溫時(shí)記憶合金處于可隨意變化的馬氏體，而當(dāng)達(dá)到特定溫度時(shí)，馬氏體會變成具有最低能量的奧氏體狀態(tài)，這時(shí)候材料的形狀也會隨之回復(fù)原形。形狀記憶合金在一些軟體機(jī)器人中用于提供動力或控制形變， Ti-Ni型是主流的材料。

彈性體高分子材料主要是橡膠類聚合物，柔軟之余具有較大的彈性限度，屈服強(qiáng)度內(nèi)的拉伸不會令其受損，其應(yīng)力反應(yīng)呈非線性，力學(xué)特征要用彈性系數(shù)表示，楊氏模量只能作為其硬度的參考。彈性體楊氏模量通常在0.1-10MPa，而目前用在軟體機(jī)器人上的主要是聚硅氧烷、聚氨酯和聚丙烯酸酯，楊氏模量在0.1-1MPa[2]。

高分子復(fù)合物與彈性體材料的最大區(qū)別在于其通過在彈性體材料中添加導(dǎo)電微粒制得，具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性。常用的導(dǎo)電微粒包括炭黑、片狀石墨、碳納米管、納米銀箔等，也有使用可導(dǎo)電聚合物如聚苯胺和聚磺苯乙烯制作的[2]。大部分導(dǎo)電高分子復(fù)合物都有明顯的機(jī)電耦合遲滯，即無荷載時(shí)的電阻比有荷載時(shí)大，這可能是由于復(fù)合物內(nèi)的導(dǎo)電粒子非直接相連，電導(dǎo)率由電子穿隧效應(yīng)主導(dǎo)，負(fù)載時(shí)導(dǎo)電粒子間的距離被壓縮導(dǎo)致更易導(dǎo)電[3]。

要發(fā)揮軟體機(jī)器人的潛能，讓探測和運(yùn)算系統(tǒng)融合在主體中，新型智能電子材料必不可少。柔性電路是其中一種解決方案。目前柔性電路的制作技術(shù)有石墨烯印刷和誘導(dǎo)蒸鍍（圖1）[4]。此外，導(dǎo)電薄膜材料也在研發(fā)中， 1.77×10-6Ωm透光85%以上的可拉伸電路材料已成功制作出來[4]。

1.2 驅(qū)動結(jié)構(gòu)

軟體機(jī)器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)機(jī)器人完全不一樣，連續(xù)形變賦予了軟體機(jī)器人極大自由度，其驅(qū)動結(jié)構(gòu)也因此多種多樣。根據(jù)過往研究，軟體機(jī)器人的驅(qū)動結(jié)構(gòu)可歸為三類：可伸縮筋腱;流體驅(qū)動;應(yīng)激性聚合物驅(qū)動[5]。

1.2.1 可伸縮筋腱

記憶合金較容易生產(chǎn)和編程，也能承受較大的形變，可伸縮筋腱就是由軟體機(jī)器人內(nèi)的記憶合金骨架組成，通過調(diào)整溫度可控制機(jī)器人形變[1]。例子有GoQbot機(jī)器蚯蚓和八爪魚仿生臂（圖2）[6][7]。

1.2.2 流體驅(qū)動

流體驅(qū)動由軟體機(jī)器人內(nèi)的管路組成，通過泵以流體為媒介控制機(jī)器人各部分形變實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。爬行機(jī)器人是一個典型例子（圖3）[8]。系統(tǒng)中的氣路由一層彈性體材料和一層應(yīng)變限制材料組成。加壓時(shí)由于彈性系數(shù)不同，兩層材料形變程度不同，使得整個氣路發(fā)生彎曲，從而獲得軟體機(jī)器人運(yùn)動所需的姿態(tài)。氣路彎曲的程度可由施加的壓力來控制，圖4展示了機(jī)器人穿過4cm縫隙的過程，其中拱起動作壓力為7psi，爬行動作壓力為4psi[8]。

1.2.3 應(yīng)激性聚合物驅(qū)動

應(yīng)激性聚合物指在外界刺激下有功能響應(yīng)的材料。調(diào)節(jié)刺激的強(qiáng)度能控制機(jī)器人的形變，實(shí)現(xiàn)姿態(tài)控制。例子有昆蟲仿生機(jī)器人，該機(jī)器人由5層薄膜構(gòu)成，包括兩層鈀-金電極，中間夾一層PVDF聚合物，此外還有一層硅膠粘合劑和一層塑料底板（圖5）[9]。通過對機(jī)器人主體施加交流電，可引起PVDF薄膜的壓電效應(yīng)，使機(jī)器人產(chǎn)生伸展和收縮，從而產(chǎn)生驅(qū)動力[9]。

長度為25mm的PVDF驅(qū)動軟體機(jī)器人在200V、200Hz條件下行走速度能達(dá)到8.7cm/s，且更小的體積和更高的驅(qū)動電壓能使機(jī)器人達(dá)到更快的速度，最高可達(dá)每秒20倍自身身長[9]。

2 總結(jié)

軟體機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，其材料工藝、結(jié)構(gòu)原理、控制和驅(qū)動技術(shù)與傳統(tǒng)機(jī)器人完全不一樣，在多方面仍有待研究。新型的材料和驅(qū)動結(jié)構(gòu)是軟體機(jī)器人功能多樣性的核心，本文介紹了目前相關(guān)研究的最新進(jìn)展，包括軟體機(jī)器人的主體材料：形狀記憶合金、彈性體高分子材料和高分子復(fù)合物，以及可伸縮筋腱驅(qū)動、流體驅(qū)動、應(yīng)激性聚合物驅(qū)動等主要驅(qū)動方式。（下轉(zhuǎn)第7頁）（上接第41頁）

3 展望

軟體機(jī)器人的研究尚處于起步階段，要發(fā)揮出軟體機(jī)器人的潛力，需要在智能柔性材料、驅(qū)動結(jié)構(gòu)等方面作進(jìn)一步研究，如柔性電路、柔性電池和電子材料以及新的快速驅(qū)動結(jié)構(gòu)等都可以提升軟體機(jī)器人的性能，使其更柔軟、具有更多功能，能更廣泛由于醫(yī)療衛(wèi)生、教育服務(wù)、緊急救援和智能制造等方面。

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