密歇根州立大學曹長勇團隊Advanced Materials Technologies綜述: 軟體爬行機器人

軟體爬行機器人能夠更加安全有效地實現與人和未知環境的交互，在災害搜救、設施檢查、軍事偵查、藥物輸送和人類協助等方面具有廣泛應用和巨大潛力，越來越多的受到人們的關注。近日，美國密歇根州立大學曹長勇團隊詳細總結了人們近年來在軟體爬行機器人領域的最新研究進展，重點討論了軟體爬行機器人的結構設計，驅動模式和運動方式。文章根據軟體爬行機器人采用的三種主要驅動方式：氣/液壓驅動、化學反應驅動和基于軟活性材料的驅動，分類概括了相應領域的最新進展和成果。其中，文中著重探討了基于軟活性材料的軟體爬行機器人，涵蓋的材料包括介電彈性體(DE)，形狀記憶合金(SMA)，磁響應彈性體(MAE)，液晶彈性體(LCE)，壓電材料(PEM)，離子聚合物金屬復合材料(IPMC)以及扭繞聚合物(TCP)等。針對每種驅動方式，通過具有代表性的軟體爬行機器人詳細討論了在執行器的結構設計、工作原理以及性能方面的研究成果和進展。此外，不同驅動機制在爬行機器人運動中的性能、代表性設計的優缺點等進行了比較。總之，本文總結了軟體爬行機器人設計的最新進展及關鍵技術，分析了軟體爬行機器人的未來發展趨勢和挑戰，對開展軟體爬行機器人的研發具有一定的指導意義。

圖1. 基于氣壓驅動的軟體爬行機器人。

（A）PN驅動器的變形原理；（B）多步態軟體機器人；（C）PN執行器的兩種不同氣壓狀態下的變形；（D-F）蛇形軟體機器人及其運動機理和氣壓驅動器的示意圖；（G）利用基于剪紙的皮膚的構建的爬行機器人;（H-I）由V-SPA模塊構成的連續體機器人及其V-SPA驅動器結構；（J）管道爬行的軟體機器人以及（K）結構組成示意圖。

圖2. 基于氣壓驅動的軟體行走機器人。

（A-B）四足軟體機器人及其采用的cVAM驅動器的結構設計；（C）在-90 kPa下的cVAM執行器的工作狀態；（D）可全方向運動的軟體模塊化機器人；（E）軟體圓柱狀驅動器在不同壓力情況下的變形；（F）機器人爬行機理（藍色代表正壓力作用，紅色代表負壓作用）；（G）依靠氣壓推動的執行器所構成的三足軟體機器人;（H-J）氣體驅動的肢體變形與運動狀態。

圖3. 基于液壓以及化學反應的軟體爬行機器人。

（A-B）新型3D打印的六足機器人及其足部設計配置和（C）執行器結構；（D）基于化學反應推進的軟體自控制機器人Octobot；（E）軟體控制器中的單向閥和切換閥系統；（F）軟體控制器中的振蕩器改變Octobot的運動狀態；（G）基于燃燒驅動的3D打印的軟體跳躍機器人; (H)化學反應順序包括：燃料運輸、混合與點火；(I)單向跳躍運動過程中不同時間步的位置變化。

圖4. 基于介電高彈聚合物的軟體行走機器人。

（A）一種依靠多層疊DEA驅動的仿生四足機器人；（B）多層疊DEA的電致驅動機理；（C）四足機器人的運動步態（擺動相與支撐相）以及曲柄滑塊運動原理；（D）第一代Sungkyunkwan六足機器人S-Hex I；（E）足部驅動器的設計以及相應運動步態；（F）第二代Sungkyunkwan六足機器人S-Hex II;（G）改進的足部驅動器設計以及相應運動步態。

圖5. 基于閉環構型介電高彈聚合物的軟體爬行機器人（滾動及滑動模式）。

（A）可折疊DEA驅動軟體爬行機器人；（B）增強型可折疊DEA的CAD模型以及其（C）驅動機理；（D）基于多節DEMES驅動的軟體滾動機器人（RSR）；（E）單節DEMES結構驅動時的應力狀態以及RSR的滾動原理；（F）由DEA構成身體以及六組EAA作為足的全方向可移動軟體機器人（OSCR）及其（G）運動機理;（H）由閉環式DEA結構單元組裝而成的爬行機器人及其（I）滑行運動機理。

圖6. 基于介電高彈聚合物的尺蠖式軟體爬行機器人。

（A）基于DEA以及EAA的無牽引軟體機器人；（B）EAA的驅動原理；（C）無牽引軟體機器人的運動機理；（D）四足尺蠖型機器人及其（E）爬行機理；（F）實現完全軟體的爬行機器人及其（G）運動原理；（H）“Trevor”軟體機器人及其（I）應用的集成式DEO組件。

圖7. 基于形狀記憶合金的軟體爬行機器人。

（A）毛毛蟲式軟體機器人GoQBot的結構設計；（B）3D打印的軟體爬行機器人；（C）內部SMA的排列以及底部多摩擦系數結構設計；（D）海星狀軟體機器人及其（E）運動機理；（F）基于SMA生成的SSC結構所驅動的海龜型機器人以及其（G）運動原理；（H）由SMA彈簧以及各向異性摩擦襯墊組成的Omegabot軟體機器人及其（I）爬行與轉向機理。

圖8. 基于磁響應彈性體的軟體爬行機器人。

（A-B）多足磁控軟體機器人；（C）打印制備快速變形的軟體機器人;?(D）3D打印的磁控變彈性體在多種編程式磁場中的功能性演示，包括(a)基于不同磁場方向所展現出不同電子功能的可重組的電子設備；(b)可阻攔并抓取快速移動物體的六面體結構；c)定點運送藥片；d)施加磁場突轉所引起的3D膨脹結構的水平跳躍。

圖9. 基于液晶彈性體的軟體爬行機器人。

（A）由CLCP多層薄膜結構組成的軟體爬行機器人；（B）紫外線與可見光對CLCP層長度變化的影響；（C）基于CLCP復合結構光致變形所產生的尺蠖式爬行運動；（D）光驅使的毛毛蟲狀軟體機器人；（E）依據特定分子取向而制作的LCE薄膜結構；（F）周期性激光束驅動的機器人爬行運動;（G）基于LCE與CB制成的尺蠖型軟體機器人以及（H）爬行運動的步態分解。

圖10. 基于壓電材料的軟體爬行機器人。

（A）使用彎曲的PVDF結構所制作的機器人及其在兩種不同表面上的運動；（B）單層扁平PVDF結構與彎曲復合結構（PVDF與PI）的驅動原理；（C）基于左右兩側不對稱摩擦所形成的爬行運動。

圖11. 基于離子聚合物金屬復合材料及扭繞聚合物的軟體爬行機器人。

（A）由離子聚合物金屬復合材料單元（腿部與身體結構）組成的軟體爬行機器人；（B）模塊化身體以及腿部的驅動原理以及機器人的組裝；（C）依靠身體結構擴張/壓縮以及腿部結構加緊/放松產生的爬行運動；（D）由SCPAM驅動的尺蠖式機器人及（E）依靠身體彎曲和各向異性摩擦實現的運動；（F）由TCP驅動器制成的爬行機器人；（G-H）TCP機器人通過各向異性摩擦實現爬動。

以上相關成果發表在國際著名期刊Advanced Materials Technologies上。論文第一作者為密歇根州立大學博士生陳守鍔，通訊作者為密歇根州立大學曹長勇教授。南方科技大學袁鴻雁教授、密歇根州立大學譚曉波教授、香港城市大學董立新教授等為論文共同作者。

論文鏈接：

Chen, S.,?Cao, Y.,?Sarparast, M.,?Yuan, H.,?Dong, L.,?Tan, X.,?Cao, C.,?Soft Crawling Robots: Design, Actuation, and Locomotion.?Adv. Mater. Technol.?2019, 1900837 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201900837

課題組網站：www.caogroup.org?

本文由密歇根州立大學曹長勇團隊供稿。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP.