軟體（tǐ）機器人結構（gòu）機理與驅（qū）動材料研究綜述-機器人-數控（kòng）機床市場網

您現在的位置：機器人> 加工與維修>軟體機器人結構（gòu）機理（lǐ）與驅動材料研究綜述

軟（ruǎn）體機器人結構機理與驅（qū）動材料研究綜述（shù）

2017-1-12 來源：浙江大學工程力學係作者：李鐵風李國瑞梁藝鳴程聽雨楊栩旭黃誌

摘要：軟體機器人是（shì）一類新型機（jī）器人，具有結構柔軟度高，環境適應性好，親和性（xìng）強，功能（néng）多樣等（děng）特點（diǎn），有著十分廣闊的研究和應用前景. 智能材料在軟體機器人結構設計及實際應用中扮演了重要的（de）角色，其特殊的（de）驅動（dòng）機製極大拓（tuò）展了軟體機器人的功能. 介紹了（le）軟體機器人的發展和研究現狀，按其應（yīng）用場合及功能總結（jié）了幾種（zhǒng）典型的軟體機器人. 從仿生機理（lǐ）的角度，介紹（shào）了蠕蟲、彎（wān）曲爬行蟲、魚類遊動等幾類仿生運動機理以及其相應的軟體機器人. 還按不同驅動類型將軟體機器人歸納為氣動（dòng）、形狀記憶合金、離子（zǐ）交換聚合物金屬複合材料、介電高彈體（tǐ）、響應水凝膠、化學燃燒驅動等類型. 介紹了軟體機器人的製作方法與工藝，分析了目前（qián）軟體機器人研究（jiū）的主要挑戰，提出對未來研究的展望.

關鍵詞：軟體機器人，智能材料，仿生機理

0.引言

隨著人類生產生活的不（bú）斷發展，機器人學、自動控製理論的不斷進步，人類（lèi）對於機器（qì）人技術（shù）的需求不斷提升. 在人類不宜涉足的（de）極端（duān）和危險的工程環境中，機器（qì）人為人類提供了很大的便利（lì）[1]. 傳統的機器人結構通常由電機、活塞、關節、鉸鏈等構件（jiàn）組（zǔ）裝而成，盡（jìn）管動力足（zú）、功率大、性能成熟，但是也存在很多缺點，例（lì）如笨重（chóng）、安全（quán）係數低、環境適應性差、可靠性低、傳動效率低下、噪聲大等. 自然界生（shēng）物的（de）柔軟的身體、優（yōu）良的靈活性（xìng）和強大的環境適應性為機器人的發展提供了新思路. 軟體機器人以（yǐ）自然界的軟體生物為原（yuán）型，其軀體主要由可以承受大變形的彈性材料構成，可以連續地（dì）變形，具有極高的自由（yóu）度. 通過模仿軟體（tǐ）動物的運動（dòng），這種機器（qì）人可以實現蠕動、扭轉、爬行、遊動等運動形（xíng）式（shì）[2]. 軟體機器人可以根據實際（jì）需要任意地改變自身形狀和尺寸，在更加複雜的環境中作業. 此外，相比於傳統的硬質機（jī）器人，軟體機器人具有更高的安（ān）全性和更好的環境相容性，更加（jiā）適合服務業和醫療領域. 基於（yú）以上優點，軟體機器人在工（gōng）業生產、醫療（liáo）服務、軍事偵察（chá）等領域都有著很好的潛力.

智能材料是指在電、光、熱、催化劑（jì）等外界激勵下表現出特有功能響應的材（cái）料[3-7]. 這些功能響應（yīng）可以是變形、化學（xué）反應、熒（yíng）光等. 近年來，智能材料在機器人領域扮演了重要角（jiǎo）色，例（lì）如氣動、shapememory alloy (SMA)、ionic polymer metal composite(IPMC)、dielectric elastomer (DE)、響應水凝膠機器人等. 目前，智能材料在機器人方（fāng）麵已經得到了很好的（de）應用，由智能材料驅動的軟（ruǎn）體機器（qì）人具（jù）有靈活（huó）、體積小、質量輕、環境適應性好、噪聲低等優（yōu）勢.

本文介紹了軟體機器人的（de）研究現狀、結構機理、驅（qū）動類（lèi）型、結（jié）構成型，分析了其中的技術難點並對未來的研究做出了展望.

1.研究（jiū）現狀

軟體機器人是一種新型的機（jī）器人，是機器人研究（jiū）的拓展. 軟體機器人具有良好的靈（líng）活性、環境（jìng）適應性，在工業生產、醫療服（fú）務、軍事探測等方麵（miàn）具有廣闊的應用前景，軟體機器人已經成（chéng）為了機器人領域的研究熱點. 目前，科學家們對軟（ruǎn）體機器人的研究仍處於（yú）初步階段. 現有的軟體機器人按照結構（gòu）機理可分為：(1) 撲翼式[8-14]、擺尾式[15-17]、噴（pēn）射式水中（zhōng）機器人[18-21]，(2) 蠕（rú）動式[22-27]、彎曲爬（pá）行機器人[28-33]，(3) 抓取機器（qì）人[34-38] 和(4) 跳躍機（jī）器人[39-40] 等.2007 年，美國國防部高等研究計劃局(DARPA)提（tí）出化學機器人Chembots 的研究（jiū）計劃，並由塔夫斯大學(Tufts University) 承擔. 該化（huà）學機器人結合了機器人學和（hé）材料化學，采用軟材料製成，甚至呈現液（yè）態（tài）狀，可以自由變形，穿越狹（xiá）窄的（de）孔隙[41]. 在歐洲委員會的資助下，歐洲5 個國家（jiā）的研究機構成立了“章魚觸手” 項目組. 該項目於2009 年2 月啟動，2013 年完成，主要是開發軟體水下章魚機器人原型，研（yán）究章魚（yú）機器人的傳感、驅動和相應（yīng）的控製方法[42-44]. 塔（tǎ）夫斯大（dà）學Barry A. Trimmer 研究組在DARPA 的資助下研發的GoQBot 機器人[28] 以彎曲爬行蟲為原型，由形（xíng）狀記憶合金(SMA) 驅動，能夠實（shí）現爬行，翻滾等運（yùn）動形式. 麻省理工學院、哈佛大學和韓國漢城國立大學合作研發的Meshworm 機器人[22] 由形狀記憶合金絲驅動，可以模仿蚯蚓的（de）蠕（rú）動. 哈佛（fó）大學（xué）的GorgeM. Whitesides 研究組研發了一係列氣動軟體機器人[23;34-35;45-46]、內燃驅（qū）動軟體機器人[39-40]，可以實現爬行、跳躍、抓取等運動形式. 此外還有康奈爾大學（xué）的集可發光人造皮膚與充（chōng）氣結構為一體的軟體機器人[24] 等（děng）. 日本岡山大學的仿蝠鱝軟（ruǎn）體機器（qì）魚也采用氣動的驅動方式[9]，可（kě）以（yǐ）實現直行和轉彎（wān）. 在響應凝（níng）膠驅動方麵，日（rì）本早稻田（tián）大學采用自震蕩響應凝膠研發了仿生尺蠖[29]，可以在無外（wài）界激勵條件下實現周期性伸縮運動. 弗吉尼亞大學仿（fǎng）生工程實驗研發（fā）的仿生蝠鱝機器魚則用IPMC 驅動[10]，可以實（shí）現多種運動模式.

2.結構機理

軟體動物的結（jié）構和運動形式為軟體機器人的設計提供了很好（hǎo）的參考. 現有的（de）軟體機器人主要分為爬行機器（qì）人、遊泳機器人、抓取機器人以及跳（tiào）躍機器人. 其中爬行機器人包括蠕動機器人、彎曲爬行機器人，遊泳（yǒng）軟體機器人包括仿（fǎng）生撲翼式軟體機器魚、波動（dòng）鰭（qí）軟體機器魚、擺尾式軟體機器魚、仿生烏賊和仿生水母等（děng），抓取機器人包括抓持式（shì）機器人、電吸附式機器人，跳躍機（jī）器人有單足跳躍機器人、

多足（zú）跳躍機器（qì）人等. 本章將對（duì）各類（lèi）不同結構機理的軟體機器人歸納分類.

2.1 蠕蟲和彎曲（qǔ）爬行蟲

蠕（rú）蟲（chóng）的軀體是典型的流體靜力（lì）骨骼(hydrostaticskeleton) 結構，由表皮、肌肉（ròu）、體液和神經係統組成.以蚯蚓為例，它的肌肉屬（shǔ）於斜紋肌（jī），肌肉構成（chéng）封閉的體（tǐ）腔，內部充滿體液，形（xíng）成靜水骨骼結構. 蚯蚓（yǐn）的肌肉占全身體積（jī）的40%，由環肌和縱肌組（zǔ）成. 當某個體節縱肌收縮時，該體節直徑增大，當環肌收（shōu）縮時，該體節的（de）直徑減（jiǎn）小，長度增大. 蚯蚓就（jiù）是通過（guò）各個體（tǐ）節之（zhī）間的肌肉收縮產生的行進波來實現向前的運動.麻（má）省理工學院（yuàn）仿生機（jī）器人實驗室首先采（cǎi）用SMA 作為驅動器（qì）開發出仿生蚯（qiū）蚓機器人Meshworm[22]. 蚯蚓和Meshworm 的身體結構分別如圖1(a) 和圖1(b)所示（shì）.

圖1 蚯蚓身體結構和Meshworm

彎曲爬行（háng）蟲的軀體結構也屬（shǔ）於流（liú）體靜力骨骼結構，其肌肉組織包含斜（xié）肌、縱肌以及（jí）小塊肌肉，構成了複雜的肌（jī）肉組織. 通過控製腳和基底之間的壓力變化和（hé）身體的張力，它可以實（shí）現（xiàn）向前的爬行運動和穿越障礙. 塔（tǎ）夫斯大學Barry A. Trimmer 實驗室研發的仿生毛蟲機（jī）器人GoQBot[28]，由SMA 驅（qū）動，能夠實現爬行、翻滾等運動形式，彎曲（qǔ）爬行蟲和GoQBot的身體結構分別如圖2(a) 和圖2(b) 所示.

圖2 彎曲爬行蟲和（hé）GoQBot

2.2 水中機器人

按照遊動方式，水中生物的運動方式可以分為撲翼式(蝠鱝)、尾鰭擺動式以及噴射式(烏賊、水母).擺尾式機（jī）器魚通過自身肌（jī）肉的交替伸縮實現（xiàn）身體的擺動，從而帶動尾鰭周期（qī）性擺動獲取水動力實現推進. 擺尾（wěi）式魚類以（yǐ）及麻省理工學院開發的軟體機器魚[15] 如圖3(a) 和圖3(b) 所（suǒ）示（shì）. 典型撲翼式（shì）魚為蝠鱝，它們通過胸鰭周（zhōu）期性的撲（pū）動實現推進，撲翼魚類以及北京航空（kōng）航天（tiān）大學開發的仿生機器魚[8] 分別如圖3(c) 和圖3(d) 所示（shì）. 水母通過收縮外殼的方式擠壓內腔，可以改變自（zì）身（shēn）內腔的體積，實現噴水推進. 自然界中的水母與弗（fú）吉尼亞（yà）理工大學開發的（de）SMA 驅動的軟體機器水母[18] 分別如圖3(e) 和圖3(f)所示.

圖3 水中生物原型和軟體水中（zhōng）機器人

2.3 其（qí）他

此外，軟體機器人類型還有跳躍式機器人[39-40]、軟體（tǐ）抓取結構[34-38]、行走機器人（rén）[47-48]以及滾動機器人[49] 等. 這（zhè）幾類機器人的驅動機（jī）製，受到自然界中例如蝗蟲（chóng）和跳蚤蓄力爆發跳躍(跳（tiào）躍式機器（qì）人)，章魚多（duō）觸手變形抓取（qǔ）(軟（ruǎn）體抓取結（jié）構)，甲殼蟲多足爬行(行走機器人) 等原型啟發（fā）. 這些機器人的結構機理與驅動行（háng）為將在下一章中具（jù）體介紹.

3.驅動類型

3.1 氣動軟體機器（qì）人

氣動軟體（tǐ）機器人是指通過在結構（gòu）中充氣，利用氣壓使結構產生（shēng）變形或者運動，從而實現驅動的一類軟體機器人. 哈（hā）佛大學George M. Whitesides 研究（jiū）組研發（fā）出了充氣式（shì）蠕動軟體（tǐ）機器人[23]，如圖4(a) 所示. 該軟體機器人身（shēn）長約12.7 cm，通過充氣（qì）產生運動，可（kě）以穿越障礙（ài），進入（rù）狹小空間，並且具備很強的抗衝擊性能. 該團隊（duì）還研發了（le）充（chōng）氣式驅動器[45]、抓取機器人[34-35] 等等. 康奈爾大學的Larson 等[24] 開發了（le）一種拉伸性能很好且具（jù）有電致（zhì）發光功能的人造皮膚，並（bìng）將這種電子皮膚（fū）整合到充（chōng）氣式軟體機器人中，展現（xiàn）了軟體機（jī）器人在運動（dòng）過程中的發光效果見圖4(b). Brown 等[36] 研發的球形軟體（tǐ）抓手，通過抽氣改變氣壓的方式實現抓取，如圖（tú）4(c) 所示（shì）.

日本岡山大學研發了氣動軟體機器魚[9]，如圖（tú）4(d) 所示. 該機器魚模仿蝠鱝（fèn）的外形和（hé）推進機理. 該機器（qì）魚的軀體材料為矽橡膠，體長為150mm，體寬為170mm，通過氣動閥進行驅動，最大遊動速度可達100mm/s. 北京航空航（háng）天大學機器（qì）人研究所研發了一款氣動仿生蝠鱝機器魚[8]. 該機器魚的主體為矽橡膠，翼展560mm，身長320mm，最大遊動速度為0.5 倍身長每秒. 氣（qì）動機器人具有變形大（dà）、運動靈活等優點，但是需要麵臨氣源、控製等方麵的挑戰.

圖（tú）4 氣動機器人

3.2 形狀記憶（yì）合金軟體機器人

形狀（zhuàng）記憶合金(SMA) 是一種智能合金材料，在加熱時能夠恢複原（yuán）始形狀，消除低溫狀態下所發生的變（biàn）形. 形狀記憶合金的熱（rè）力（lì）耦合行為源於材（cái）料本身的相變，例如熱彈性馬氏（shì）體相變. 在形狀記憶（yì）合金中存在兩種相，高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相.馬氏體一旦（dàn）形成，就會隨著溫度下降（jiàng）而繼續生（shēng）長，如果溫度上（shàng）升它又會減少，以完全相反的過程消失.兩項自由能之差作為相變驅動力，兩項自由（yóu）能相等（děng）的溫度T0 稱為平（píng）衡溫度. 隻有當溫度低於平衡溫度T0 時才會產生馬氏體相變，反之，隻（zhī）有當溫度高於平衡溫度（dù）T0 時才會發生逆相變. 在SMA 中，馬氏體（tǐ）相變不僅由（yóu）溫度（dù）引起，也可以由（yóu）應力引起，這種由應力引起的馬氏體相變叫做應力誘發馬氏體相變（biàn），且相變溫度同應力正相關. 形狀記憶合金可以用於智（zhì）能材料驅動器中.

Menciassi 等[25] 首先將SMA 驅動（dòng）器應用於蠕蟲的仿生機器人中，如圖5(a) 所（suǒ）示. Menciassi 參考（kǎo）了（le）蚯蚓的運動（dòng）機製，將SMA 彈簧嵌入矽橡膠外殼（ké）中並串聯成（chéng）竹節狀，配置（zhì）好各節的驅動電流，運動速度可達0.22mm/s. 模仿生物爬行的軟（ruǎn）體機器人還有Du 等研發的3 種模式運動機器人（rén）[30]，GoQBot 機器人[28]，Meshworm 機器人[22]. Kim 等[11] 研發了（le）一種通過SMA 驅動的仿生海龜，如圖5(b) 所示. 它的最高（gāo）遊動速度為（wéi）22.8mm/s. 此外，該研究組研發了一

圖5 SMA 驅（qū）動機器人

款新型（xíng）的SMA 仿生（shēng）龜[12]，其（qí）最（zuì）大遊動速度為11.5 cm/s. Wang 等[16] 設計了一種SMA 驅動的柔性鰭單元（yuán），如圖5(c) 所示，並將其應用於（yú）仿（fǎng）蝠鱝機器人[13] 中，如圖5(d) 所示. 文獻[18-19] 模仿水母的運動，製作了可做沉浮運動的水下機器人. 此外，SMA還被應用於攀爬機（jī）器人[31]，仿生飛行器（qì）[50-51]，機器人麵部表情驅動[52-53] 等.形狀記憶合金驅動的（de）機器人具有大驅（qū）動（dòng）力、大驅動位移等優點，但是也（yě）存在溫度（dù）難以控製、驅動頻率低等問題（tí）.

3.3 IPMC 軟體機器人

IPMC 的全稱是（shì）離子（zǐ）交換（huàn）聚合物金（jīn）屬複合材料，是（shì）一種電致變形的智能材料(離子型). IPMC 材料由Nafion 鋰子交換薄膜和電極組成. 在含水狀態（tài）下，聚合物薄膜中的陽（yáng）離（lí）子（zǐ）(例如鈉離（lí）子和鈣離子)可以自由（yóu）移動，陰離子固定在碳鏈中不能移動. 在IPMC 電極的兩端施加上電壓時（shí），在電極之間會產生電場. 在電場的（de）作用下，水合的陽（yáng）離子向負極移動，而陰離（lí）子的位置固定不變. 從而導致IPMC 的負極溶（róng）脹，正極收縮而導致IPMC 彎曲變形.IPMC 具有變形靈活、可重複，大位移，低電（diàn）壓驅動，響應速度快等特點. 基（jī）於IPMC 的這些特點，可以廣泛（fàn）地用於智能材料機器人（rén）的（de）驅動器中，尤其適用於水環境（jìng）機（jī）器人，如仿生機器魚、機器水母等.

Hubbard 等[14] 將IPMC 應用於（yú）仿生機器魚中，用於驅動機器魚的胸鰭和尾鰭. 該機器魚的最大（dà）遊（yóu）動速（sù）度為28mm/s，如圖6(a) 所示. Shen 等[17] 模仿鯨魚的遊動方式，使用IPMC 尾鰭研發了一款（kuǎn）仿生機器魚，並研究了其水動力性能，如圖6(b) 所示. 弗吉尼亞大學仿（fǎng）生工程實驗室（shì）研發了一款IPMC 驅動的仿生蝠鱝（fèn）機器（qì）魚[10]，如圖6(c) 所示. 該機器魚的胸鰭由兩側的4 根IPMC 鰭條驅動，身長80mm，翼展180mm，最大遊動速度為4.2mm/s. 弗吉尼（ní）亞理工大學將IPMC 驅動器嵌入聚烯烴薄膜（mó）中，開發出透（tòu）明軟體水母[20]，如圖6(d) 所示. 該水母的直徑為164mm，高為50mm，重量為11 g，遊動速（sù）度（dù）為1.5mm/s. 此外，伊朗沙（shā）力夫理工大學研發了一款IPMC 驅動的滾動機（jī）器人[49]，如圖6(e) 所示. 德克薩斯（sī）A&M 大學研發了一款IPMC 驅動的行（háng）走機器人[47]，如圖6(f) 所示. IPMC 驅動的機（jī）器人具有大輸出位移、運動靈活等優點，而其主要不足有輸出力較小，響應頻率低、材料需要液（yè）體環境等.

圖6 IPMC 機器人

3.4 介電（diàn）高彈體軟體機器人

介電高彈體(DE) 是一種典型（xíng）的（de）電致變形智能軟材料(電子型（xíng）). 聚丙烯酸類材（cái）料是一（yī）種典型的介電高彈體材（cái）料，在介電高彈體薄（báo）膜的兩側覆蓋柔性電（diàn）極，並施加驅動電壓時，介電高彈體薄膜在電場力（lì）的作用下（xià）產生變形，導致厚度減小，麵積擴張. 介電高（gāo）彈體具有彈（dàn）性模（mó）量低、質輕、能量密（mì）度大、響應（yīng）速度快（kuài）的優點. 介電高彈體可用於軟體機器（qì）人驅動、柔性（xìng）傳感器、智能穿戴（dài）設備以及能量采集等.浙江大學工（gōng）程力學係、浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實（shí）驗室研究組基（jī）於介電高彈體的（de）力電耦合特性，通過利用力電失穩實現（xiàn）了材料的極大電致變形[54]，並可振動調頻，能用於智能結構的驅動[55].此外，該研究小組還（hái）參考了彎曲爬行蟲，海星等（děng）無脊椎動物，研發了一種小型的（de）智能結構[32]，如圖7(a) 所示. 以該結構作為基本模塊，可以製成多種形狀的小型機器人. 在不同（tóng）的預拉伸狀態下以及不同的電壓的驅動下，這種機器人的運動幅度也會（huì）隨之改變. Kofod 基於介電高彈體材料做（zuò）了三角狀抓（zhuā）手[38]，可以（yǐ）抓起輕質的柱狀物體，如圖（tú）7(b)所示. Jung 等[26] 以蠕蟲為（wéi）靈感，做成以介電材料為單元的驅動器，再以6 個基（jī）本單（dān）元為一組（zǔ），做成一個二級的圓形單元，最後這種二級的（de）圓（yuán）形（xíng）單元可以連接成任意長度（dù）的（de）蠕蟲機器人，可（kě）以（yǐ）實現1mm/s的爬行速度，如圖7(c) 所示. Choi 等[56] 將多層介電材料薄膜製成的驅動器作為基本結構單元，以這種單元為基礎組（zǔ）裝（zhuāng）成管狀（zhuàng）的智能機器（qì）人（rén），如圖7(d)所示（shì）. Pei 等[48] 基於介（jiè）電高彈（dàn）體材料，做成圓柱形驅動器單元，並組裝成六足行走機器人或（huò）者首尾連接的蠕蟲機器（qì）人，如圖7(e) 所示. Zhao 等[57] 研發了一種撲翼結構，這種馬鞍形狀的介電材料的驅動器在5 000V，3 Hz 的驅動（dòng）電（diàn）壓下，可以（yǐ）實現大於180。的角度變化，如圖7(f) 所示. 這種撲翼結構也為空中飛行驅（qū）動器提供了一個很（hěn）好的（de）參考. 此外，Conn 等[27] 研發了一種結合氣動與電動並以介電高彈體為材料（liào）的蠕蟲機器人. 這種機器人是以介電高彈體薄膜封裝的一個圓筒形結構為單（dān）元，並且可（kě）以將這些單元連接成不同長度的（de）機器人. 該機器人在充氣後，介電薄膜進入工作狀態，施加電壓後可以通過底部的運動結（jié）構產生的（de）摩擦力（lì）前進. Branz等[58] 研發了一種（zhǒng）以介電高彈體為基本材料的雙

圖7 DE 驅動機器（qì）人

軸（zhóu）機器人（rén），這種（zhǒng）機（jī）器人在水平x-z 方向和豎直x-y 方（fāng）向分別有兩個圓柱形的軸，在電的驅動下，介電薄膜會發生形變，帶動兩個軸運動，從而實（shí）現前進. Shintake等[37] 開發（fā）了一種電吸附式的介（jiè）電（diàn）高彈體軟體抓手，可以抓起82.1 g 的物體. 介電高彈體（tǐ）機器（qì）人具有大驅動力、大驅動位移等優點，但也麵（miàn）臨著驅動電壓（yā）高等挑戰.

3.5 響（xiǎng）應水凝膠軟體機器人

水凝膠是由親水性的功能（néng）高分子，通（tōng）過物理（lǐ）或化學作用交聯形成三維（wéi）網絡（luò）結構，吸水溶脹而形成.響應水凝膠指能（néng）夠對外部（bù）環（huán）境的（de）變化產生響應性變化的（de）水凝膠，如一（yī）些水凝膠能因外界溫度、pH 值、光電信號、特（tè）殊化學分子等的微小變化，而產（chǎn）生（shēng）相（xiàng）應的物理結構或化學結構（gòu）的變化. 如一類具有低臨界相轉變溫度(LCST) 的溫敏水凝膠，其（qí）在溫（wēn）度低於LCST 時，表現為親水性，而高於LCST 時相轉變為疏水性. 水凝（níng）膠高分子網（wǎng）絡的相轉變（biàn）使得水凝膠中的水分大量出入其中(溫度升高縮水，降（jiàng）低吸水)，從而使得水凝膠產生體積等形態（tài）變化. 又例（lì）如一類具有對酸堿度敏感的水（shuǐ）凝膠，其高分子（zǐ）網絡中含有可（kě）電離的（de）陰離子基團(羧基、磺（huáng）酸基（jī）等) 或陽離（lí）子基團(氨（ān）基等)，外界pH 值的改變影響這些基團的電離情況，使得它（tā）們與水分（fèn）子的結合情（qíng）況也發生相應（yīng）的（de）改變（biàn），從而使水（shuǐ）凝膠的體（tǐ）積（jī）形態隨著pH 值的改變而發生變（biàn）化. 由於智能水凝膠能夠隨外（wài）界環境（jìng）變化，而產生（shēng）形變（biàn），其可以作為智能驅動（dòng）材料應用於柔性機器人驅動等領域[59].

Nakamaru 等[29] 以凝膠為材料，研發了一種外形簡單，有著類似蠕蟲的運動模式的仿生機器人. 這種（zhǒng）機器人（rén）在不改變外界驅動方式和刺激的情況下可以自己通過自（zì）震蕩的方式移動，如圖8(a) 所示. Morales等[33] 研發了一種以水（shuǐ）凝膠為基底的片狀驅動器. 該驅動器分為兩部分，分（fèn）別作為（wéi）機器人的兩隻腳（jiǎo），這兩（liǎng）隻腳分別為陰離（lí）子腳和陽離子腳，通過改變電極的方向使機器人產生不同方向的（de）形變從（cóng）而使其移動，如圖8(b) 所示. Lee 等[60] 同（tóng）樣是以水凝膠作為基本（běn）材料，以自然界（jiè）中的捕蠅草為靈（líng）感，製（zhì）備了一種表麵具有微流道（dào）的微型（xíng）機器人，可以通過機器人（rén）表麵的（de）微流道吸水和失水時所產生的表麵形變來使其運（yùn）動.此外，Li 等[20] 用pH 值響應水凝膠（jiāo）開發了一款軟體水母（mǔ），該水母為磁驅動. 水凝（níng）膠機器人能夠通過自身化（huà）學反應實現運動，但是麵臨驅動力小、難以精確控（kòng）製的挑戰.

圖8 水凝膠機器人

3.6 內燃（rán）軟體機器人（rén）

Shepher 等[39] 研究組研發了一種三角狀的有機彈性體機器人. 該機器人以甲烷與氧氣燃燒反應使氣體體積膨脹（zhàng）為（wéi）驅動機製，在（zài）分別通入純氧和甲烷混合（hé）反應之後，這種機器人可發生形變並且跳躍（yuè），最高可達到跳離（lí）地麵300mm (30 倍身高)，如圖9(a)所示. 同樣是以跳躍為運動形（xíng）式，Bartlett 等[40] 應用三維（wéi）打印技術製造了一種內燃驅動機（jī）器人. 該（gāi）機器人也（yě）是以（yǐ）化（huà）學（xué）反（fǎn）應放能作為驅動機（jī）製，丁烷和氧氣在一個三角狀的密閉腔室裏發生反應，使這個小型機器人跳（tiào）躍，並且可以通過給底部的腳分別充氣實現（xiàn）定向的跳躍，如圖9(b) 所示. 內燃機器人具有驅動力大，運動（dòng）幅度（dù）大的優勢，但是存在著控製難度大的挑戰.

圖9 內燃機器人

4.結構成（chéng）型

軟體機器人的製造（zào）包括了機器人本體結構（gòu）製造、驅動材料製造、柔性電子電路製造. 文獻[2, 61]總結了軟體機器人的製造工藝，包括了形狀沉積、納米壓印、激光消融（róng）、微注射成型、3D 打印等（děng）.圖10 為形狀沉（chén）積法(shape deposition manufacturing,SDM) 的流程示意圖. Merz 等[62] 早在1994 年就詳述了SDM 的具體（tǐ）實（shí）施步驟. 21 世紀初，MarkCutkosky 研究組最（zuì）早將SDM 應用（yòng）於機器人的結構（gòu）製造[63]. 運用形狀沉積法，可以把傳感器、電路組件嵌入結構中，製作柔（róu）軟的結（jié）構並使其具（jù）備多種功能.

圖10 SDM 工藝流程圖

介電高彈體驅動器涉及的主要製造工藝包括聚合（hé）物薄膜的製作、薄（báo）膜的（de）預拉伸、電（diàn）極的集成和封裝等. 如圖11 所示，薄膜可用注模、旋（xuán）塗、3D 打印製造或使用（yòng）膠帶(VHB, 3M)，使用（yòng）掩模、轉印或濺射沉積法使電極均勻（yún）覆蓋於薄（báo）膜兩側. 柔性（xìng）電極的集成是DE 驅動（dòng）器製造的關（guān）鍵步驟（zhòu）. 在可伸展電子（zǐ）係統中，結構發生變形（xíng）如拉伸、扭轉（zhuǎn）、折疊時，係統的電力（lì）和機械耗散應盡可能（néng）小. 這就要求電極有一定的柔順度、良好的傳導率（lǜ）甚至特定的外（wài）觀. 使用（yòng）柔性電極（jí）在（zài）介電高彈體表麵製備具有特定（dìng）形狀的導電區域（yù），可以實現通過二維平麵（miàn）製造對智能（néng）結（jié）構三維形狀的驅（qū）動控製（zhì）[64].

圖11 DE 驅動（dòng）器製造流程

Rosset 等[66] 綜述了應用於DE 驅動器的（de）柔性電極（jí）及其（qí）集成方法. 常用的柔性電極有石墨粉、碳（tàn）膏、銀納米線（xiàn）等. Keplinger 等[67] 將水凝膠（jiāo）作為電極應用於DE 驅動器製造，製造的驅動器高度透明. 可運用於對外觀有相關需求的地方.以Gorge M. Whitesides 為主發展的軟刻（kè）蝕(softlithograph) 技術[68] 使用彈（dàn）性模（mó）板為微圖案的轉移中介，包括了微接觸印刷、近場光刻（kè）蝕、納米壓（yā）印等. 彈性模板是軟刻蝕技術的核心元件，聚二甲基矽氧烷是優良的製備材料，其具有彈（dàn）性優（yōu）良和不與其他（tā）材料粘連的特點，能實現在曲麵上（shàng）製作圖（tú）案. 文獻[23]和文獻[39] 中的軟體機器人製造都采用了軟刻蝕方法.

3D 打印(3D printing) 也可稱為增材製造（zào）(additivemanufacturing, AM)，具有數字製造、直接製造、快速製造（zào）等優點. 目前已經實現商（shāng）品化的工藝主（zhǔ）要有光固化打印、選（xuǎn）擇性激光燒結打印、熔融沉積打印.利（lì）用3D 打印已用（yòng）於製造軟體機（jī）器（qì）人的軀體[40;69-70].Rossiter 等[71] 采用噴射打印方式（shì），利（lì）用UV 光逐層（céng）照（zhào）射固化聚丙（bǐng）烯酸樹（shù）脂得到一塊（kuài）厚度約90 1m 的可驅動的DE 薄膜. Carrico 等[72] 采用熔融沉積技術製造了IPMC 薄片(圖12)，並與商（shāng）用IPMC 進行了性（xìng）能比較. Peele 等[73] 采用（yòng）光固化技術製造了一個氣（qì）動模塊.

5.關鍵技術與挑戰

表1 和表2 從驅（qū）動方式、結構機理以及研（yán）發機構所在地的角度歸納了多種（zhǒng）已有的軟體機器（qì）人. 軟（ruǎn）體機器人（rén）的研究目前尚處於起步階段，仍有很多難題需要去解決，包括能源供給、運動學建模、動作控製（zhì）及通訊傳感（gǎn）等. 首先，軟（ruǎn）體機器人具有極高的自由（yóu）度，因此在建（jiàn）模與控製方麵（miàn）與傳統的機器人有所不同，難以實現（xiàn）精確建模與控製. 目前，在軟（ruǎn）體機器人動力學建模中，主要通過（guò）結（jié）構功能分類進行多（duō）體離散（sàn）化，通過將（jiāng）實驗與（yǔ）模型驗證，並充分考慮控製（zhì）對步態的影響，從而優化機器人構造（zào），提升性能[74-76]. 開

圖12 熔融沉積技術製造IPMC[72]

發適用於軟體機器人大變形、高自由度等（děng）特（tè）點的控製策略（luè）及建模（mó）方法（fǎ）對（duì）其基礎研究及實際應用非常關鍵. 其次，軟體機器人的進步（bù）在很大程度上依賴（lài）高性能的智能軟材料（liào）製備及結構成型. 需要（yào）研發高能量密（mì）度（dù）、高效率、可大變形驅動、寬（kuān）頻率驅動並且易於成型的智能軟材料（liào）. 最後，研究開發麵向軟體機器人應用的（de）能源（yuán）供應裝置也是其（qí）發展的關鍵. 例如氣（qì）動式軟體機器（qì）人、電源以及氣源的（de）質量較大，影響了機器人的運（yùn）動（dòng）. 例如介電高彈體驅動的軟體機器人，小型高壓電源的可靠（kào）性至關重要. 軟體機器人的電源要求延展性好、輕（qīng）質、可攜（xié）帶.

表1 各類軟體機器人按結構形式、驅動方式及研究國家統計表(I)

表2 各類（lèi）軟體機器人按結構形式、驅動方式及（jí）研（yán）究國家統計（jì）表(II)

6.展（zhǎn）望（wàng）

由於軟體機器人要求通訊、控製電路等（děng）可以承受大變形，因而柔性電子（zǐ）的許多研究成果可以大量應用在軟體機器（qì）人結構中，提升其（qí）性能. 而軟體機器人的（de）研究同時也對柔性電子技術提出了新的應用要求，並開拓了（le）新的應（yīng）用領域. 軟體機（jī）器人因為（wéi）其複雜的、軟體化的結構特性，從而十（shí）分適合使用三維打印成型技術製備，同時也為三維打印成型技（jì）術（shù）提供了新的應用領域（yù）.

未來軟體機（jī）器人的研究及應用，將（jiāng）利用到多個學科的前沿（yán）成果（guǒ），以實現高柔軟性、多功能（néng）化、高親和度等性（xìng）能特（tè）點；利用柔性電子（zǐ）、三維打印等結構與成型技術，使其易於製造，從而廣泛應（yīng）用於各類工程、醫療、軍事等（děng）領域.

投稿箱：
如（rú）果您有機床行業、企業相關新聞稿件（jiàn）發表，或進行資訊（xùn）合作，歡迎聯係本網編輯（jí）部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多（duō）

博文選萃

| 更多

數控機床