基于形狀記憶合金的軟體機器人研究綜述

徐林森, 韓 松,2*

(1.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院， 合肥 230031； 2.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)， 合肥 230026)

形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)作為一種智能材料，由于其優(yōu)越的性能而得到了各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。中外學(xué)者和研究機構(gòu)對SMA開展了深入研究，并將其應(yīng)用在汽車、生物醫(yī)療、航天及軟體機器人等領(lǐng)域，現(xiàn)重點介紹SMA在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 SMA研究現(xiàn)狀

瑞典物理學(xué)家?lander于1932年首次發(fā)現(xiàn)了SMA中的相變特性，他發(fā)現(xiàn)金鎘合金在加熱時可以回復(fù)至原形態(tài)[1]。Greninger和Moradian在?lander發(fā)現(xiàn)SMA相變特性后的第6年，在銅鋅、銅錫合金上也觀察到了相似的現(xiàn)象[2]。文獻[3-4]報道了由馬氏體相的熱彈性行為控制的記憶效應(yīng)的基本現(xiàn)象。1959年，William Buehler發(fā)現(xiàn)了鎳鈦合金[5]，并在3年后和Frederick Wang一起揭示了這種合金的形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)[6]，與當(dāng)時其他現(xiàn)有SMA相比，鎳鈦合金的生產(chǎn)成本更低，操作更容易和安全，并且具有更好的機械性能[7]，從此以后SMA的商業(yè)使用潛力被逐漸發(fā)掘。形狀記憶合金的首次成功商業(yè)化應(yīng)用是Raychem公司為F-14噴氣式戰(zhàn)斗機設(shè)計的管接頭[8]。形狀記憶技術(shù)于90年代正式成為形狀記憶材料領(lǐng)域的專業(yè)術(shù)語[9]。自此，形狀記憶合金的應(yīng)用設(shè)計在汽車、航空航天、生物醫(yī)學(xué)和機器人等領(lǐng)域中得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用[10-11]。迄今為止，在低頻振動和驅(qū)動控制方面，SMA致動器已經(jīng)得到了較為成功的使用[12-13]。雖然SMA在各行各業(yè)中得到了認可和使用，但是其穩(wěn)定性、壽命和帶寬等諸多性能依舊需要深刻研究[14]。外國眾多研究人員通過對SMA進行反復(fù)實驗，分析合金的材料成分、改進加工制造工藝來改善合金材料的特性[15]。

圖1 1990年1月—2013年6月SMA出版物和美國專利[8]Fig.1 SMA publications and US patents from January 1990 to June 2013[8]

自20世紀(jì)80年代以來，鎳鈦合金的商業(yè)應(yīng)用在許多領(lǐng)域得到了發(fā)展，特別是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，如圖1、圖2所示[8]。在汽車工程領(lǐng)域，SMA主要被用來設(shè)計成絲式驅(qū)動器來取代傳統(tǒng)的電磁驅(qū)動馬達[16]。相較于電磁驅(qū)動馬達，這種絲式驅(qū)動器具有可逆性、噪聲低、輕量化、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本較低等優(yōu)點，因此其在汽車上得到了一定的應(yīng)用，并且還有許多有待開發(fā)的潛在應(yīng)用的可能，如圖3所示[17]。

自20世紀(jì)90年代以來，美國通用汽車公司一直致力于研究SMA在汽車上的使用，截至2014年，該公司已經(jīng)獲得了取得了200多項與此相關(guān)的專利。并且，通用公司將SMA驅(qū)動器成功應(yīng)用于第7代雪佛蘭Corvette中，該驅(qū)動器在關(guān)閉后備箱蓋的過程中起到了關(guān)鍵作用[18]。同時，通用公司在發(fā)電機、發(fā)動機艙的活動百葉窗、空氣擋板和用于緩解打開車門的自適應(yīng)“把手”[8]等方面也都使用了SMA驅(qū)動技術(shù)(圖4)。

20世紀(jì)90年代，航空航天研究人員將重點放在主動和自適應(yīng)結(jié)構(gòu)上，以實現(xiàn)各種飛行條件下的變形能力和系統(tǒng)級優(yōu)化，如美國國防高級研究計劃局的飛機“智能翼”計劃[19]，噴氣發(fā)動機智能飛機和船舶推進系統(tǒng)示范計劃[20]，以及其他計劃[21-24]。波音公司開發(fā)了一種帶有SMA致動器的主動鋸齒形氣動裝置，也稱為可變幾何雪佛龍，已安裝在GE90-115B噴氣發(fā)動機上(適用于波音777-300ER商用飛機)。該裝置已被證明是非常有效的，通過最大化V形偏轉(zhuǎn)來降低起飛時的噪音，并且在剩余的飛行中通過將V形偏轉(zhuǎn)最小化來提高巡航效率(圖5)[25-27]。

圖2 按年份分組的“形狀記憶合金”文章和專利數(shù)量[8]Fig.2 Number of “shape memory alloy” articles and patents by years-group[8]

1為前照燈設(shè)置；2為后視鏡設(shè)置；3為儀表板執(zhí)行機構(gòu)； 4為門鎖；5為皮帶拉鉤；6為制動鉗；7為減震器設(shè)置， 8為行李箱鎖；9為安全帶系統(tǒng)；10為內(nèi)鎖；11為換擋桿； 12為氣候系統(tǒng)；13為機罩鎖；14為熱控開關(guān)圖3 SMA在汽車上現(xiàn)存以及潛在的應(yīng)用[17]Fig.3 Existing and potential application of SMA in automobile[17]

圖4 通用汽車新興的SMA應(yīng)用[8]Fig.4 Emerging General Motors’ SMA applications[8]

圖5 波音公司的可變幾何雪佛龍[25]Fig.5 Boeing’s variable geometry Chevron[25]

圖6 文獻[28]方案Fig.6 Scheme in ref.[28]

趙穎[28]設(shè)計了一款基于SMA的裝置，裝置通過彈簧的自身彈力來實現(xiàn)鎖緊功能；通過SMA絲通電縮短來完成解鎖功能，該裝置具有體小質(zhì)輕，反復(fù)性強，同步性好能的優(yōu)點，其全剖視圖如圖6所示。Zhang等[29]設(shè)計出一種SMA磁懸浮飛輪鎖緊機構(gòu)，如圖7所示，該機構(gòu)具有突出的解鎖/鎖緊性能，良好的高溫性能，抗沖擊，長壽命，高可靠性等，在空間旋轉(zhuǎn)式設(shè)備上具有較大的應(yīng)用前景。圖8為熊詩輝[30]基于SMA原理設(shè)計的一款連接分離裝置，具有響應(yīng)快、大載荷、低噪聲、低沖擊和低噪聲等諸多優(yōu)點。

①為觸發(fā)楔塊的鎖定動作；②為沒有觸發(fā)楔塊約束時， 解鎖楔塊被壓縮的彈簧向右推動的過程圖7 文獻[29]方案Fig.7 Scheme in ref.[29]

圖8 文獻[30]方案Fig.8 Scheme in ref.[30]

2 SMA的特性研究

2.1 形狀記憶效應(yīng)

當(dāng)SMA在處于完全馬氏體狀態(tài)時，即溫度低于馬氏體相變結(jié)束溫度(Mf)時，對SMA施加一外載荷通從而使其發(fā)生一定程度的塑性變形，然后卸載，此時SMA存在殘余變形[31]，然后對其進行加熱處理直至溫度達到奧氏體相變結(jié)束溫度(Af)以上的時候，SMA會回復(fù)到原來的形狀，SMA的這種特性稱為形狀記憶效應(yīng)[32]。

按照不同溫度下的SMA的不同形態(tài)，SME可分為：單程形狀記憶效應(yīng)(one-way SME，OWSME)、雙程形狀記憶效應(yīng)(two-way SME，TWSME)和全程形狀記憶效應(yīng)(all-round SME，ARSME)[33]。

2.1.1 OWSME

OWSME是指在溫度Mf以下，SMA在外載荷的作用下發(fā)生一定的塑性變形，然后對其加熱到溫度Af以上，SMA則回復(fù)到原形狀，冷卻后其形狀不再改變，似乎“記住”了高溫Af的形態(tài)[34-35]。

2.1.2 TWSME

TWSME是指在溫度Mf以下SMA受力變形，加熱到溫度Af以上時回復(fù)到原始形狀，冷卻到低溫馬氏體狀態(tài)時回復(fù)到加熱前受力時的形態(tài)[36-38]。

2.1.3 ARSME

ARSME是指在溫度Mf以下SMA受力變形，加熱到溫度Af以上時回復(fù)到原始形狀，冷卻到溫度Mf以下后而回復(fù)到原始形狀的反形狀[39]。

SMA的單程、雙程和全程形狀記憶效應(yīng)如圖9所示[40]。

圖9 單程、雙程和全程形狀記憶效應(yīng)[40]Fig.9 OWSME, TWSME and ARSME[40]

2.2 超彈性

當(dāng)溫度在Af以上時，SMA處于高溫奧氏體狀態(tài)，對此狀態(tài)下的SMA施加一外載荷，SMA將產(chǎn)生變形，卸載后SMA又恢復(fù)至高溫奧氏體時的形態(tài)，這種特性被稱為SMA的超彈性[41]或者偽彈性。如圖10所示，對奧氏體狀態(tài)下的SMA施加載荷，在OA階段SMA發(fā)生彈性變形，繼續(xù)施加負載，此時奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，由于應(yīng)力變化不大出現(xiàn)一個AB平臺階段；再繼續(xù)施加載荷，馬氏體進行脫欒晶過程，逐漸變成非欒晶馬氏體，如BC階段。在卸載過程中，非欒晶馬氏體在高溫狀態(tài)不能穩(wěn)定存在，進而逐漸變成奧氏體，宏觀上表現(xiàn)為回復(fù)原狀[42]。

2.3 電阻特性

SMA處于不同溫度下晶體結(jié)構(gòu)會發(fā)生變化，而其電阻率隨之也不斷發(fā)生變化，因為相變所致的各相體積分數(shù)的改變對其電阻率有著顯著的影響。SMA的電阻率隨溫度的變化過程如圖11所示[17]。

圖10 SMA的超彈性[42]Fig.10 Superelasticity of SMA[42]

Ms為馬氏體相變開始的溫度圖11 SMA電阻特性[17]Fig.11 Characteristics of resistance[17]

分析圖11發(fā)現(xiàn)，在加熱或者冷卻的過程中，純奧氏體相或純馬氏體相下SMA的電阻與溫度近似呈線性關(guān)系；加熱過程中，當(dāng)溫度到達奧氏體相變開始溫度(As)時，電阻率的變化率逐漸減小最后趨于0；而在馬氏體和奧氏體共存的階段，電阻率與溫度呈負相關(guān)；當(dāng)溫度到達Af后，電阻率的變化率逐漸減小最后趨于0。冷卻過程中電阻率的變化趨勢與加熱過程對應(yīng)的變化趨勢相反[40]。

研究SMA的電阻特性可以診斷材料的損傷程度[43]，避免由此帶來的一些損失。此外，還有學(xué)者結(jié)合SMA的電阻特性和驅(qū)動特性，設(shè)計SMA溫控開關(guān)，實現(xiàn)輸出行程的智能控制[44]。

3 SMA在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用

SMA具有許多優(yōu)良的性能，比如較大的回復(fù)應(yīng)變、操作聲音小和生物兼容性好等，在軟體機器人領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[45]。圖12(a)為軟體機器人GoQBot通過模仿毛毛蟲來進行滾動和爬行的運動[46]，其主要由SMA彈簧和其他彈性材料構(gòu)成。GoQBot的頭部和尾部起著末端前腿和胸腿的作用，當(dāng)SMA線圈被加熱時，其身體彎曲在頭部周圍產(chǎn)生向前的角動量，使其身體呈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)并向前推進。Umedachi等[47]還通過使用3D打印技術(shù)開發(fā)了一種類似于毛蟲的機器人[圖12(b)]。兩個SMA線圈嵌入機器人體內(nèi)，并且可以電動驅(qū)動，將兩個SMA驅(qū)動器以重疊的方式并列排列，收縮其中一個SMA線圈可產(chǎn)生反向波，然后彈性體將產(chǎn)生的力傳遞給另一部分。這兩個形狀記憶合金線圈能夠激發(fā)不同頻率、波長、相位和振幅的波，使機器人產(chǎn)生多種運動步態(tài)。

美國東北大學(xué)設(shè)計了一種基于SMA驅(qū)動的機器魚，如圖13所示[48]。1、2號SMA的間歇式通電拉動基板1、2雙向偏轉(zhuǎn)，進而帶動脊椎的往復(fù)運動。雖然該機器魚具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪聲和效率高等優(yōu)點[49]，但是它存在著結(jié)構(gòu)不緊湊、活動范圍受限的缺點。

圖12 SMA驅(qū)動的軟爬行機器人[46]Fig.12 Soft crawling robots actuated by shape memory alloys[46]

圖13 仿生機器魚[48]Fig.13 Bionic robotic fish[48]

圖14所示的仿生金槍魚尾鰭推進器是由加拿大維多利亞大學(xué)設(shè)計的[50]。SMA絲分布中央骨架兩側(cè)，表面包覆有彈性蒙皮，驅(qū)動頻率為0.5 Hz，尾鰭最大擺角為17°。該仿生金槍魚尾鰭布絲結(jié)構(gòu)復(fù)雜，骨架剛度大，因此限制了其擺動幅度。由于其尺寸結(jié)構(gòu)大，對驅(qū)動控制等方面的要求較高，因此很難做出完整的機器魚。

楊浩[51]基于SMA特性設(shè)計了仿生靈巧手，如圖15所示。手臂外側(cè)的SMA負責(zé)手指的伸展，內(nèi)側(cè)的SMA負責(zé)手指的彎曲。動滑輪的存在使靈巧手能夠獲得更大的握力。

Seok等[52]基于SMA的特性設(shè)計了一種仿蚯蚓的軟體機器人Meshworm(圖16)?；赟MA通電收縮的原理，對不同部位的SMA絲交替通斷電形成蠕動波進而驅(qū)動Meshworm蠕動前進。

文獻[53]基于SMA的特性設(shè)計了一種能夠?qū)崿F(xiàn)螺旋運動的軟體機器人，如圖17所示。整個設(shè)計由3個相等但獨立的單元組成，單個單元如圖18所示，每個單元由三層組成。該結(jié)構(gòu)通過三維打印機制造完成，分布于上、下層的3個圓形結(jié)構(gòu)由SMA彈簧連接。通過適當(dāng)控制每個SMA的功率，每個單元可以實現(xiàn)3個自由度的運動(2個彎曲自由度，1個收縮自由度)。采用復(fù)雜的控制方法，SMA柔性機器人理論上可以實現(xiàn)最大9自由度的運動。

圖14 仿生金槍魚尾鰭[50]Fig.14 The tail fin of bionic tuna[50]

圖15 仿生靈巧手[51]Fig.15 The flexible bionic hand[51]

圖16 SMA 驅(qū)動原理及應(yīng)用[52]Fig.16 SMA driving principle and application[52]

圖17 SMA軟體機器人設(shè)計方案[53]Fig.17 Schematic design of the SMA soft robot[53]

圖18 單個單元設(shè)計方案[53]Fig.18 Single unit design scheme[53]

圣安娜大學(xué)生物機器人研究所的工作重點是開發(fā)一種以章魚為靈感的柔軟機器人手臂，它的功能是使用硅橡膠皮膚的金屬絲網(wǎng)作為肌肉靜水器。在這種結(jié)構(gòu)中，基于電機的電纜驅(qū)動用于縱向驅(qū)動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)彎曲，橫向定位的SMA彈簧用于收縮章魚臂的橫截面，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)伸長或其他局部變形[54-57]。SMA元件作用于網(wǎng)格產(chǎn)生運動的機理以及使用該原理的機器人的結(jié)構(gòu)如圖19所示[58]。

圖19(a)為由SMA元件驅(qū)動的金屬絲網(wǎng)的運動，金屬絲網(wǎng)縱向收縮，橫向膨脹；圖19(b)表示由SMA彈簧驅(qū)動的能夠進行蠕動運動的網(wǎng)蟲機器人[51]；圖19(c)章魚機器人的手臂，它能夠通過網(wǎng)格和SMA彈簧沿徑向延伸并抓取物體[56]。

Villanueva等[59]用較軟的硅膠包裹SMA設(shè)計了一種仿生水母，通過SMA變形帶動整體結(jié)構(gòu)的運動，進而可以在靜水中產(chǎn)生足夠的推力來推動水母前進，其結(jié)構(gòu)如圖20所示[60]。

圖19 SMA的作用機理及軟體機器人的結(jié)構(gòu)[58]Fig.19 The mechanism of SMA and the structure of soft robot[58]

圖20 SMA仿生水母[60]Fig.20 SMA Bionic jellyfish[60]

Tian等[61]基于SMA的驅(qū)動原理共同研發(fā)了具有多種運動形式的軟體機器人，可實現(xiàn)滾動、Ω爬行以及運動形式的切換[62]。夏期榮等[63]通過控制4根SMA絲設(shè)計了一種柔性機器魚，并提出了一種輪詢加熱的控制方式來解決SMA的熱累積問題。

4 結(jié)論與展望

SMA的中外研究現(xiàn)狀、性能研究及SMA在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用進行了文獻綜述。自瑞典物理學(xué)家?lander首次發(fā)現(xiàn)SMA的相變特性后，中外大量學(xué)者相繼開展了相關(guān)研究。隨著研究的深入，SMA的SME、超彈性、電阻特性逐漸被發(fā)現(xiàn)，基于SMA的這些特性及其操作無噪聲、生物兼容性好、回復(fù)應(yīng)變大等優(yōu)點，軟體機器人領(lǐng)域受到研究機構(gòu)和學(xué)者的廣泛關(guān)注，并取得了很多的研究成果。盡管SMA在軟體機器人領(lǐng)域的應(yīng)用前景廣闊，但是目前存在某些限制其性能和適用性的缺點。由于SMA是基于熱驅(qū)動，導(dǎo)致其驅(qū)動頻率低和能量效率低，未來的努力方向應(yīng)該是運用更加先進的技術(shù)來解決這些挑戰(zhàn)，從而在軟體機器人方面取得更大的進展?；赟MA的軟體機器人在未來將會朝著高集成化、微型化、多功能化和智能化等方向發(fā)展。