相較于依賴準(zhǔn)確電機(jī)或機(jī)械設(shè)備進(jìn)行精確多維控制的傳統(tǒng)機(jī)器人，新型柔性機(jī)器人只能通過柔性致動(dòng)器的材料變形以簡單的驅(qū)動(dòng)方法進(jìn)行控制。然而，柔性材料的非線性變形很難預(yù)測，這使得柔性機(jī)器人難以處理復(fù)雜的操作要求。

受到人體肌肉群的啟發(fā)，電科技大學(xué)的于軍勝教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種具有雙側(cè)變形功能的柔性致動(dòng)器，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一種具有可調(diào)致動(dòng)組合的齒輪狀3D柔性機(jī)器人，具備可調(diào)節(jié)的致動(dòng)組合。隨后，又受口腔輪匝肌啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種類似嘴巴的柔性機(jī)器人，該機(jī)器人可以咬住并抓取其體重5.3倍的物體。這種單一致動(dòng)器的雙向功能和多個(gè)致動(dòng)器之間的各種組合模式使柔性機(jī)器人展現(xiàn)出多樣的功能和靈活性，為設(shè)計(jì)高度可控的三維柔性機(jī)器人提供了一種新的思路。目前，該工作以“Muscle-inspired soft robots based on bilateral dielectric elastomer actuators”發(fā)表在《microsystems & nanoengineering》。

圖文導(dǎo)讀：

單側(cè)致動(dòng)器由0.18 mm厚的PET基板、0.18 mm厚的加強(qiáng)框架以及雙面碳潤滑脂電極為活性層的預(yù)拉伸介電彈性體組成（圖1）。雙側(cè)致動(dòng)器通過背靠背粘合兩個(gè)單側(cè)致動(dòng)器而形成。與單側(cè)致動(dòng)器相比，雙側(cè)致動(dòng)器在穩(wěn)定性和尺寸控制方面表現(xiàn)更佳。在循環(huán)測試中，雙側(cè)致動(dòng)器表現(xiàn)出更好的穩(wěn)定性，偏離角的標(biāo)準(zhǔn)偏差遠(yuǎn)低于單側(cè)致動(dòng)器。雙側(cè)致動(dòng)器還可作為雙邊彎曲致動(dòng)器，表現(xiàn)出增強(qiáng)的尺寸控制。通過雙側(cè)致動(dòng)器的兩種驅(qū)動(dòng)模式，研究人員設(shè)計(jì)了3D齒輪形機(jī)器人，可實(shí)現(xiàn)高度可控的多向運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人的性能與PET基材的剛度和彈性體的預(yù)拉伸率有關(guān)，通過調(diào)整這些參數(shù)，可以優(yōu)化機(jī)器人的性能。

圖1.肌肉啟發(fā)的雙側(cè)致動(dòng)器的設(shè)計(jì)和制造

接下來研究團(tuán)隊(duì)研究了雙邊致動(dòng)器在兩種不同驅(qū)動(dòng)模式下的變形性能（圖2）。在第一個(gè)驅(qū)動(dòng)模式中，左側(cè)啟動(dòng)時(shí)向右彎曲，右側(cè)啟動(dòng)時(shí)向左彎曲，達(dá)到18°和26°的偏差角分別在0.2秒和1秒的驅(qū)動(dòng)時(shí)間內(nèi)。這種交替高壓驅(qū)動(dòng)模式對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)模式1，可以通過組合不同的電壓值來獲得任何所需的彎曲角度。在第二個(gè)驅(qū)動(dòng)模式中，兩側(cè)同時(shí)驅(qū)動(dòng)，導(dǎo)致致動(dòng)器中間產(chǎn)生間隙，隨著驅(qū)動(dòng)時(shí)間的增加，間隙距離從10 mm增加到12 mm。循環(huán)性能測試顯示，驅(qū)動(dòng)模式1下的雙邊致動(dòng)器偏差角在4500次驅(qū)動(dòng)循環(huán)后略微增加，而驅(qū)動(dòng)模式2下的間隙距離也有輕微增加。此外，雙邊致動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力在mN級(jí)別，隨著電壓的增加而增加。在兩種驅(qū)動(dòng)模式下，致動(dòng)器的阻斷力確保了其在相當(dāng)長的循環(huán)中不會(huì)降低變形性能。這些結(jié)果為雙邊致動(dòng)器的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的性能數(shù)據(jù)。

圖2.雙側(cè)致動(dòng)器的性能介紹

基于雙側(cè)致動(dòng)器在兩種驅(qū)動(dòng)模式下的變形性能，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)了一種3D齒輪形柔性機(jī)器人（圖3），通過多個(gè)致動(dòng)器的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了高度可控的多向爬行和滾動(dòng)。該柔性機(jī)器人展示了在不同頻率下的爬行速度和步距的關(guān)系，以及在轉(zhuǎn)向控制方面的靈活性。通過將多個(gè)致動(dòng)器首尾相連形成閉環(huán)機(jī)器人，機(jī)器人表現(xiàn)出多向?qū)ΨQ性，并在不同位置驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)了向不同方向的快速移動(dòng)。

圖3.齒輪形3D柔性機(jī)器人及其爬行行為

在進(jìn)一步的研究中，研究人員用齒輪形柔性機(jī)器人展示了一種新的操作方式，只用兩只腳著地，像滾動(dòng)的柔性機(jī)器人一樣向前滾動(dòng)。通過調(diào)整致動(dòng)器的位置，可以改變機(jī)器人的重心，實(shí)現(xiàn)在地面甚至斜坡上的滾動(dòng)行為。通過組裝七個(gè)致動(dòng)器，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了這種滾動(dòng)柔性機(jī)器人，并詳細(xì)研究了不同致動(dòng)器組合下機(jī)器人重心的分布。該機(jī)器人不僅可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)滾動(dòng)，還能夠以相同的方式實(shí)現(xiàn)后退滾動(dòng)，顯著提高了運(yùn)動(dòng)的可控性。通過在斜坡上的滾動(dòng)測試，研究團(tuán)隊(duì)驗(yàn)證了該機(jī)器人在不同場景下的穩(wěn)定滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，為其在實(shí)際應(yīng)用中的靈活性提供了更多可能性。

圖4.滾動(dòng)柔性機(jī)器人

受到口腔內(nèi)的口輪匝肌啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)通過連接多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)形成的環(huán)形結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)了類似人嘴的抓取功能，被稱為“類嘴柔性機(jī)器人”。這種嘴狀機(jī)器人可以通過調(diào)整致動(dòng)器上的致動(dòng)電壓來調(diào)整其內(nèi)部尺寸，實(shí)現(xiàn)有效的抓取性能。在抓取性能測試中，嘴狀柔性機(jī)器人通過控制不同網(wǎng)格數(shù)的砂紙作為內(nèi)壁，成功撿起不同重量的乒乓球。雖然這款機(jī)器人展示了多樣化的運(yùn)動(dòng)形式和高度的可控性，但研究團(tuán)隊(duì)指出其仍需解決外部電力設(shè)備驅(qū)動(dòng)的笨重和運(yùn)動(dòng)模式切換手動(dòng)控制的局限性，提出在進(jìn)一步研究中可以考慮增加電池和控制電路，以實(shí)現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用。

圖5.受口腔輪匝肌啟發(fā)的柔性機(jī)器人

總結(jié)：

這項(xiàng)研究創(chuàng)新性的開發(fā)了一種受肌肉啟發(fā)的雙側(cè)柔性致動(dòng)器，為仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了新的思路。通過深入研究雙側(cè)致動(dòng)器在兩種驅(qū)動(dòng)模式下的變形性能，實(shí)現(xiàn)了高度可控性。進(jìn)一步，設(shè)計(jì)了一款集成雙側(cè)致動(dòng)器的三維齒輪形柔性機(jī)器人，展現(xiàn)了出色的運(yùn)動(dòng)和物體操縱能力，包括多向爬行、雙向滾動(dòng)等。此外，通過模仿口腔輪匝肌，成功實(shí)現(xiàn)了柔性機(jī)器人抓取和運(yùn)輸物體的功能。整體而言，這項(xiàng)研究為高度可控的仿生三維柔性機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為未來機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展帶來了創(chuàng)新性的貢獻(xiàn)。

文章來源：Bionic Science

審核編輯：湯梓紅