僅1.1克重，最快的軟跳躍機(jī)器人Made in China!

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撰文：庫(kù)珀 編審：寇建超

對(duì)于機(jī)器人而言，跳躍是一種十分重要的能力，這能夠使它們擴(kuò)大活動(dòng)范圍，克服行進(jìn)障礙，適應(yīng)許多非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等。

連續(xù)跳躍和方向可調(diào)整性，是具有多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的地面機(jī)器人的基本特性。然而，目前只有少數(shù)軟跳躍機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)快速連續(xù)跳躍和控制轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)越障。

如今，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)提出了一種基于軟電靜力學(xué)彎曲致動(dòng)器的，電靜力學(xué)驅(qū)動(dòng)的系繩無(wú)腿軟跳躍機(jī)器人，這種機(jī)器人僅僅 1.1 克重、6.5 厘米長(zhǎng)，0.85 毫米厚，能夠?qū)崿F(xiàn) 7.68 倍體高的跳躍高度和每秒 6.01 倍體長(zhǎng)的連續(xù)向前跳躍速度，結(jié)合兩個(gè)執(zhí)行器單元，可實(shí)現(xiàn)每秒 138.4°的轉(zhuǎn)向速度。

相關(guān)論文發(fā)表在科學(xué)期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上，論文的主要作者分別來(lái)自重慶大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、上海大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等。

研究人員還將其他功能性電子設(shè)備（如傳感器）集成到制動(dòng)器上，從而實(shí)現(xiàn)包括偵測(cè)環(huán)境變化在內(nèi)的多種應(yīng)用，并建議未來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以改進(jìn)軟體機(jī)器人的跳躍性能，未來(lái)或?qū)o(wú)繩方案的進(jìn)一步研究或可增進(jìn)這類軟體機(jī)器人的通用性。

創(chuàng)新電液靜力驅(qū)動(dòng)方式

提高軟跳躍機(jī)器人的單跳性能（跳躍高度 JH 和跳躍距離 JD）以提高其越障能力，同時(shí)加快跳躍頻率以提高其導(dǎo)航效率，是軟跳躍機(jī)器人面臨的兩大工程挑戰(zhàn)。

目前，業(yè)界已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了能夠向前導(dǎo)航的軟或部分軟跳躍機(jī)器人，驅(qū)動(dòng)方式也十分多樣，有集成彈簧、形狀記憶合金（SMA）、磁致動(dòng)器、光動(dòng)力致動(dòng)器、介電彈性體致動(dòng)器（DEA）、氣動(dòng)致動(dòng)器、化學(xué)致動(dòng)器、電機(jī)和聚偏二氟乙烯（PVDF）致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)等。

有一部分是儲(chǔ)能跳躍機(jī)器人，這類機(jī)器人通常具有強(qiáng)勁的單跳性能，但由于需要額外的彈性儲(chǔ)能過(guò)程，因此需要犧牲導(dǎo)航效率為代價(jià)。

此外，盡管儲(chǔ)能過(guò)程的延長(zhǎng)增加了跳躍高度，但降低了著陸穩(wěn)定性，同時(shí)降低了跳躍頻率；由氣動(dòng)執(zhí)行器、化學(xué)執(zhí)行器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的軟跳躍機(jī)器人，通常需要復(fù)雜的導(dǎo)航策略和結(jié)構(gòu)；而基于 DEAs 和 PVDF 執(zhí)行器的輕型軟跳躍機(jī)器人，可以通過(guò)彎曲身體部位進(jìn)行簡(jiǎn)單跳躍，無(wú)需額外儲(chǔ)能，這會(huì)導(dǎo)致快速跳躍頻率，但它們的 JHs 和 JDs 不足以滿足跨越障礙物的要求（<0.25 體高）。

液壓放大自愈靜電（HASEL）執(zhí)行器可以通過(guò)電流體靜力學(xué)改變內(nèi)部液體的分布來(lái)實(shí)現(xiàn)線性運(yùn)動(dòng)，這種電液驅(qū)動(dòng)方法可以在很短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生跳躍所需的能量，而不需要復(fù)雜的能量?jī)?chǔ)存過(guò)程，是快速越障機(jī)器人的潛在解決方案，但仍面臨三大挑戰(zhàn)：

（1）在沒(méi)有堆疊的情況下提高單跳性能；

（2）實(shí)現(xiàn)快速恢復(fù)；

（3）產(chǎn)生向前跳躍和轉(zhuǎn)向跳躍。

經(jīng)過(guò)深入分析這些機(jī)器人方案的優(yōu)劣勢(shì)和性能后，研究人員使用基于電靜力學(xué)原理和框架的快速?gòu)澢突貜棧瑏?lái)增強(qiáng)致動(dòng)器的跳躍性能。

圖 | LSJR 詳細(xì)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)原理（來(lái)源：Nature Communications）

研究人員將新的解決方案命名為 LSJR：一種電液靜力驅(qū)動(dòng)的系留式無(wú)腿軟跳躍機(jī)器人，該機(jī)器人基于軟電液靜力彎曲致動(dòng)器（sEHBA），具有快速、連續(xù)、轉(zhuǎn)向跳躍和越障能力。

初步實(shí)驗(yàn)表明，sEHBA 的快速響應(yīng)特性導(dǎo)致短啟動(dòng)時(shí)間（~10 ms），LSJR 可用于實(shí)現(xiàn) 7.68 個(gè)身體高度的 JH，單次跳躍為 1.46 個(gè)身體長(zhǎng)度，連續(xù)向前跳躍速度為 390.5 mm/s（每秒 6.01 個(gè)身體長(zhǎng)度），頻率為 4 Hz。

他們還證明了雙體 LSJR 的轉(zhuǎn)向速度能夠達(dá)到每秒 138.4°，是現(xiàn)有軟跳躍機(jī)器人中速度最快的。

圖｜機(jī)器人彈跳的原理和效果（來(lái)源：Nature Communications）

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景下，LSJR 的快速連續(xù)跳躍運(yùn)動(dòng)可以跨越多種障礙物（其中一些比機(jī)器人大），包括斜坡、電線、單步、連續(xù)步、環(huán)形障礙物、礫石丘和不同形狀的立方體等。

探索最佳性能參數(shù)

LSJR 由兩個(gè)塑料半圓形袋組成，袋子是雙向取向聚丙烯（BOPP）薄膜材料，袋上印有柔性電極，用于潛在電線連接。袋子前面裝滿了介電液體，后面裝滿了同樣體積的空氣。柔性塑料（PVC）環(huán)框架固定在邊緣上，并進(jìn)行預(yù)拉伸。通過(guò)向兩個(gè)電極施加高壓，LSJR 通電以彎曲自身，產(chǎn)生向前跳躍的力和能量，后部氣囊有類似于動(dòng)物的尾巴，用于保持跳躍和著陸姿勢(shì)的平衡，在LSJR的整個(gè)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。

從設(shè)計(jì)理念和運(yùn)動(dòng)原理方面來(lái)講，研究人員將一個(gè) HASEL 型致動(dòng)器熱封為一個(gè)半圓形分離 HASEL（SCS-HASEL）致動(dòng)器，該致動(dòng)器由兩個(gè)基于拉鏈機(jī)制的半圓形液體袋組成，然后，用等量的空氣替換 SCS-HASEL 致動(dòng)器后半圓袋中的介電液體，并移除后半圓袋的覆蓋電極，使介電液體能夠相對(duì)于整個(gè)致動(dòng)器各向異性流動(dòng)。

正如預(yù)期那樣，可以發(fā)現(xiàn)特殊的液-氣布局可以使液-氣致動(dòng)器向前跳躍，即使氣囊在地面上跳動(dòng)，這是因?yàn)殡姌O擠壓液體電介質(zhì)，使其快速流動(dòng)，LSJR 通電彎曲自身，從而使其獲得初始動(dòng)能。為了進(jìn)一步提高 LSJR 的跳躍性能，可以用氦氣或其他密度較低的非爆炸性氣體替換該袋中的空氣。輕巧的機(jī)器人設(shè)計(jì)使跳躍和著陸穩(wěn)定，不會(huì)翻船。

圖｜LSJR 移動(dòng)前進(jìn)測(cè)試（來(lái)源：Nature Communications）

JD 和 JH 是兩個(gè)重要的性能指標(biāo)，可用于表征 LSJR 的跳躍性能。r=電極面積：非電極面積，實(shí)驗(yàn)顯示 r=1:1 時(shí)機(jī)器人產(chǎn)生了更大的 JD 和J H，過(guò)量的 r（例如 r=2:1）會(huì)影響 BOPP 薄膜的柔韌性，阻礙框架的正常彎曲，降低垂直地面反作用力。

此外，連續(xù)向前跳躍速度（CFJS）是連續(xù)向前跳躍機(jī)器人的一個(gè)重要性能特征，在 10 kV和 4 Hz 下，平均旋轉(zhuǎn)速度（TS）=138.4°/s，據(jù)論文描述，這是現(xiàn)有軟跳躍機(jī)器人中速度最快的，這是在木板上的成績(jī)。而在不同的襯底上會(huì)大大影響連續(xù)跳躍能力，在表面光滑的玻璃板上，同樣 10 kV 和 4 Hz 的條件，平均 TS 僅為 27.9°/s。足夠的基板表面粗糙度不僅可以防止機(jī)器人在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中打滑，還可以阻礙無(wú)動(dòng)力 LSJR 的運(yùn)動(dòng)，從而影響轉(zhuǎn)向行為。

LSJR 具備較好的越障能力，有望在復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中進(jìn)行探索、檢查和偵察任務(wù)。在 10 kV 的外加電壓和 4 Hz 的驅(qū)動(dòng)頻率下，單體 LSJR 以 16.3 mm/s（0.25 體長(zhǎng)/秒）的 CFJS 爬上玻璃板（傾斜角度為 3°），跨越直徑為 6.3 mm 的電線，跨越 8 mm 高臺(tái)階以及跨越連續(xù)臺(tái)階。

在障礙物高度間隔為4 mm 的穿越試驗(yàn)中，LSJR 可穿越的最大高度為14 mm（長(zhǎng)方體），18 mm（三角棱鏡和圓柱體），還能順利穿過(guò)含有許多礫石（大?。? 到 6 mm）的礫石丘。

圖｜LSJR 移動(dòng)前進(jìn)測(cè)試跨越障礙（來(lái)源：Nature Communications）

還有更多有趣的演變

總的來(lái)說(shuō)，LSJR 具有低剖面、輕量化、模塊化和經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，通過(guò)簡(jiǎn)單的控制策略，該機(jī)器人就能實(shí)現(xiàn)快速、連續(xù)和轉(zhuǎn)向跳躍、承載和越障的能力。

采用特殊液氣布局和邊緣固定預(yù)彎框架，實(shí)現(xiàn)了由周期性馬鞍形彎曲和各向異性液體流引起的快速連續(xù)向前和轉(zhuǎn)向跳躍運(yùn)動(dòng)，這彌補(bǔ)了 HASEL 致動(dòng)器的一些局限性，包括：（1）無(wú)法實(shí)現(xiàn)的向前和轉(zhuǎn)向跳躍；（2）沒(méi)有堆疊的單跳性能較弱；（3）無(wú)法快速恢復(fù)。在連續(xù)向前跳躍運(yùn)動(dòng)中，每次跳躍的角度偏差可控制在 8°以內(nèi)，機(jī)器人的最大跳躍高度可以達(dá)到 18 毫米。

LSJR 的跳躍性能不僅取決于外加電壓，還取決于各種運(yùn)動(dòng)基板的表面紋理，在相同的外加電壓（10 kV，4 Hz）下，表面最光滑的玻璃基板提供了所有基板中最低的摩擦導(dǎo)致較低的 CFJS 為 95.6 mm/s（1.47 體長(zhǎng)/秒）。目前，這限制了該機(jī)器人在相對(duì)光滑的表面上跳躍的應(yīng)用。

研究人員表示，LSJR 可通過(guò)連接光和軟溫度傳感器、膏和光致變色染料等，用于檢測(cè)和記錄環(huán)境變化，如溫度和紫外線，也可通過(guò)集成其他傳感器，用來(lái)檢測(cè)更多的環(huán)境因素，如工業(yè)環(huán)境和民用建筑中的污染物。

下一步工作，他們將著重研究 sEHBA 的可擴(kuò)展性和參數(shù)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更好的跳躍性能，開(kāi)發(fā)無(wú)約束 LSJR 和應(yīng)用，以及基于 sEHBA 的其他軟機(jī)器人，如爬墻機(jī)器人、游泳機(jī)器人、還有撲翼機(jī)器人等。

參考資料：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-27265-w