我科学家研制出新型微型软体攀爬机器人

近日,清华大学航天航空学院张一慧教授课题组开发了具有构型可定制和刚度可主动调节能力的三维电驱动软驱动器,并基于此设计并制备了一种多步态微型软体机器人(体长从 6 毫米到 90 毫米,质量从 0.2 克到 3 克),其能够在不同形貌表面(例如平面、圆柱面、波浪面、楔形槽表面和球面)攀爬,并在两个不同表面之间过渡。

具备攀爬能力的微型机器人由于其微小的身躯,可以代替人类进入复杂、非结构化环境中执行特殊任务,在探测、生医等方面有着巨大应用价值。

由软材料组成的类肌肉软驱动器可以为机器人提供极佳的灵活性、适应性和机械鲁棒性,相应的微型软体攀爬机器人也得到了研究者的广泛关注。然而,如何实现微型软体攀爬机器人在多种形貌表面上攀爬,甚至在两种不同表面之间过渡,仍然存在巨大挑战。

在该研究中,课题组基于液晶弹性体的定制化驱动应变设计策略和屈曲组装方法,开发了一系列具有可定制三维变形能力的小尺度电热驱动器,其具有丰富的三维构型和多样的驱动变形能力。通过对比现有的电驱动三维驱动器(限定在非液体工作环境中),该类驱动器在毫米尺度(从 1 毫米到 10 毫米)可实现复杂的变形效果以及最大的弯曲变形角度。此外,该驱动器在温度作用下还具有形状可恢复以及刚度可调控的特性(图 1)。

我科学家研制出新型微型软体攀爬机器人

图 1.微型软体驱动器的制备方法与性能表征。A 图为驱动器制备流程示意图;B 图为具备复杂变形效果的三维驱动器;C 图为圆弧形驱动器的变形效果表征;D 图为现有电响应驱动器的变形能力对比图;E 图为驱动器的刚度变化表征

基于上述可定制三维驱动器制备得到的微型软体攀爬机器人包含可重构静电吸附脚掌、可变形身躯和智能关节三部分。通过对机器人变形性能以及脚掌吸附性能的表征与分析,可实现机器人在圆柱面内外侧、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。受浮游生物水螅多种运动步态的启发,通过对可变刚度“智能关节”的控制,实现了机器人在步进、“翻筋斗”前进和翻转过渡三种运动步态之间的按需切换。最终,机器人可以在不同材质、不同粗糙度、不同形貌墙面攀爬,并在两种不同墙面之间过渡(图 2)。

我科学家研制出新型微型软体攀爬机器人

图 2. 微型软体攀爬机器人的设计和运动能力展示。A 图为机器人各组成部分的分离视图;B 图为体长 6 毫米机器人的光学图像;C 图为机器人在不同材质、不同形貌墙面攀爬以及墙面之间过渡的能力展示。

张一慧介绍,“解锁”了这一新技能后,该微型软体攀爬机器人可进入一些狭窄、复杂的环境中,代替人类执行探测等作业任务。例如在飞机发动机、炼油机等复杂系统中,该机器人可以经历各类管道、齿轮等曲面结构,到达指定位置进行故障检测等任务。

相关研究成果于近日在《美国科学院院报》以《一种基于可变形三维驱动器的可在复杂表面攀爬和过渡的微型软体机器人》为题发表。

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