我國科學(xué)家研制出新型微型軟體攀爬機(jī)器人，能夠在不同形貌表面攀爬

IT之家 12 月 5 日消息，據(jù)清華大學(xué)官網(wǎng)消息，近日，清華大學(xué)航天航空學(xué)院張一慧教授課題組開發(fā)了具有構(gòu)型可定制和剛度可主動(dòng)調(diào)節(jié)能力的三維電驅(qū)動(dòng)軟驅(qū)動(dòng)器，并基于此設(shè)計(jì)并制備了一種多步態(tài)微型軟體機(jī)器人（體長從 6 毫米到 90 毫米，質(zhì)量從 0.2 克到 3 克），其能夠在不同形貌表面（例如平面、圓柱面、波浪面、楔形槽表面和球面）攀爬，并在兩個(gè)不同表面之間過渡。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/202212/441248.htm

具備攀爬能力的微型機(jī)器人由于其微小的身軀，可以代替人類進(jìn)入復(fù)雜、非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中執(zhí)行特殊任務(wù)，在探測、生醫(yī)等方面有著巨大應(yīng)用價(jià)值。由軟材料組成的類肌肉軟驅(qū)動(dòng)器可以為機(jī)器人提供極佳的靈活性、適應(yīng)性和機(jī)械魯棒性，相應(yīng)的微型軟體攀爬機(jī)器人也得到了研究者的廣泛關(guān)注。然而，如何實(shí)現(xiàn)微型軟體攀爬機(jī)器人在多種形貌表面上攀爬，甚至在兩種不同表面之間過渡，仍然存在巨大挑戰(zhàn)。

在該研究中，課題組基于液晶彈性體的定制化驅(qū)動(dòng)應(yīng)變設(shè)計(jì)策略和屈曲組裝方法，開發(fā)了一系列具有可定制三維變形能力的小尺度電熱驅(qū)動(dòng)器，其具有豐富的三維構(gòu)型和多樣的驅(qū)動(dòng)變形能力。通過對(duì)比現(xiàn)有的電驅(qū)動(dòng)三維驅(qū)動(dòng)器（限定在非液體工作環(huán)境中），該類驅(qū)動(dòng)器在毫米尺度（從 1 毫米到 10 毫米）可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的變形效果以及最大的彎曲變形角度。此外，該驅(qū)動(dòng)器在溫度作用下還具有形狀可恢復(fù)以及剛度可調(diào)控的特性（圖 1）。

圖 1.微型軟體驅(qū)動(dòng)器的制備方法與性能表征。A 圖為驅(qū)動(dòng)器制備流程示意圖；B 圖為具備復(fù)雜變形效果的三維驅(qū)動(dòng)器；C 圖為圓弧形驅(qū)動(dòng)器的變形效果表征；D 圖為現(xiàn)有電響應(yīng)驅(qū)動(dòng)器的變形能力對(duì)比圖；E 圖為驅(qū)動(dòng)器的剛度變化表征

基于上述可定制三維驅(qū)動(dòng)器制備得到的微型軟體攀爬機(jī)器人包含可重構(gòu)靜電吸附腳掌、可變形身軀和智能關(guān)節(jié)三部分。通過對(duì)機(jī)器人變形性能以及腳掌吸附性能的表征與分析，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在圓柱面內(nèi)外側(cè)、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。受浮游生物水螅多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)的啟發(fā)，通過對(duì)可變剛度“智能關(guān)節(jié)”的控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在步進(jìn)、“翻筋斗”前進(jìn)和翻轉(zhuǎn)過渡三種運(yùn)動(dòng)步態(tài)之間的按需切換。最終，機(jī)器人可以在不同材質(zhì)、不同粗糙度、不同形貌墻面攀爬，并在兩種不同墻面之間過渡（圖 2）。

圖 2. 微型軟體攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)能力展示。A 圖為機(jī)器人各組成部分的分離視圖；B 圖為體長 6 毫米機(jī)器人的光學(xué)圖像；C 圖為機(jī)器人在不同材質(zhì)、不同形貌墻面攀爬以及墻面之間過渡的能力展示

 張一慧介紹，“解鎖”了這一新技能后，該微型軟體攀爬機(jī)器人可進(jìn)入一些狹窄、復(fù)雜的環(huán)境中，代替人類執(zhí)行探測等作業(yè)任務(wù)。例如在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、煉油機(jī)等復(fù)雜系統(tǒng)中，該機(jī)器人可以經(jīng)歷各類管道、齒輪等曲面結(jié)構(gòu)，到達(dá)指定位置進(jìn)行故障檢測等任務(wù)。

IT之家了解到，相關(guān)研究成果于 11 月 28 日在《美國科學(xué)院院報(bào)》（PNAS）以“一種基于可變形三維驅(qū)動(dòng)器的可在復(fù)雜表面攀爬和過渡的微型軟體機(jī)器人”（A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces）為題發(fā)表。