滕靈寶

摘 要：生物體憑借著軟體結(jié)構(gòu)的可變性，能高效的完成目標。這樣的軟結(jié)構(gòu)啟發(fā)機器工程師設計新型的軟機器。軟機器是重要的技術發(fā)展方向之一，在眾多領域具有廣闊的應用前景，如柔性智能飛行器、關節(jié)健康恢復、潮汐發(fā)電裝置等。本文概要介紹了軟體機器人技術的一些研究進展。

關鍵詞：軟機器;軟體機器人;聲膜系統(tǒng)共振;建?？蚣?柔性機械手抓力建模;多模應變和曲率傳感器;粒子增強水凝膠

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）14-0218-02

0 引言[1，2]

動物利用軟結(jié)構(gòu)的變形性，在復雜的自然環(huán)境中高效地移動。這些軟結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是兼容的，并可以承受巨大的壓力，是機器結(jié)構(gòu)中難以找到的。這些能力激發(fā)了機器人工程師將軟技術融入到他們的設計中。軟機器人技術的一個目標是為機器人提供新的、受生物啟發(fā)的功能，使機器人能夠在不可預知的環(huán)境中進行形態(tài)上適應性的相互作用。從力學角度，生物啟發(fā)軟機器人有三個關鍵要素，即材料選擇、驅(qū)動和設計。軟材料是生物啟發(fā)機器人安全相互作用和整體驅(qū)動的必要條件。軟體機器人中材料的固有特性允許“體現(xiàn)智能”，從而有可能以剛性機器人無法實現(xiàn)的方式降低機械和算法的復雜性。最后，軟體機器人可以與組織工程和合成生物學相結(jié)合，創(chuàng)建具有獨特傳感、動態(tài)響應和移動性的生物混合系統(tǒng)。生物啟發(fā)軟機器人也有能力加快混合機器人的進化，可以安全地與人類互動。

1 基于聲膜系統(tǒng)共振的聲執(zhí)行器在軟機器人驅(qū)動中的應用[3]

LangquanShui等人研究了聲場與軟膜的耦合，并將其應用于軟機器人的驅(qū)動中。首先，他們對聲膜耦合系統(tǒng)的固有頻率和模態(tài)進行了理論和數(shù)值計算。然后利用格林函數(shù)法得到了聲膜耦合場的穩(wěn)態(tài)解。通過在聲學系統(tǒng)諧振狀態(tài)下驅(qū)動駐波或行波，他們提出了兩種用于軟機器人的聲學驅(qū)動方法。通過理論分析和數(shù)值模擬，表明采用兩種驅(qū)動方法的軟機器人由于聲膜耦合系統(tǒng)的諧振工作狀態(tài)，與其他類型的軟機器人相比，如游泳、滑行或四足步態(tài)機器人，具有較好的動力學和能量性能。LangquanShui等人提出的聲學驅(qū)動機制有望應用于許多類需要波狀變形的移動軟機器人。此外，由于軟體機器人體內(nèi)的聲波傳播，使用本地聲源（如內(nèi)置揚聲器）可以很容易地實現(xiàn)某些類型的軟體機器人所需的波形變形，這可能會大大簡化復雜的驅(qū)動或控制系統(tǒng)。

2 軟機器人系統(tǒng)自動化設計和建?？蚣躘4]

預計混合機器人的引入將對工業(yè)組裝產(chǎn)生積極影響。在這方面，新一代的機器人可以在碰撞中變形和屈服，從而危害較小，這似乎是對傳統(tǒng)剛性鏈接機器人的一種很有希望的補充。最近，所謂的軟機器人受到了極大的關注，開始展現(xiàn)出它們在工業(yè)自動化方面的潛力。為了驗證該方法的有效性，需要對軟執(zhí)行器進行設計、建模和測試。GundulaRunge等提出了一種將有限元分析、連續(xù)機器人建模和機器學習有效地結(jié)合起來的軟機器人設計和建模工具的框架。

3 變剛度柔性機械手抓取力的建模[5]

HaibinYin等人提出了一種變剛度軟機器人抓手的抓力模型。軟機器人抓手由形狀記憶合金（SMAs）制成，具有收縮和變剛度的特性。然而，其主干的響應特性在受重力、抓力和驅(qū)動扭矩等復雜力時，不符合恒曲模型。在這種情況下，Cosserat理論被用來實現(xiàn)對受到復雜力的軟機器人抓手的抓取力的實時計算。最后，我們對軟手指和抓手的抓握力進行了一系列測試。實驗結(jié)果表明，當SMA-2線的楊氏模量從25 GPa增加到48 GPa時，軟機器人抓手的抓取力增加了48.7%。

4 一種超彈性材料的軟機器人表面的設計與建模[6]

雖然大多數(shù)現(xiàn)有的軟機器人都有觸角狀的形態(tài)，但Lisha Chen等人將軟機器人的形態(tài)從曲線延伸到表面。他們利用超彈性硅膠材料制作機器人表面，并通過沿邊緣嵌入的兩個氣動軟彎曲執(zhí)行器，可以主動控制其形態(tài)和變形。他們分別利用虛擬工作原理和彈性板理論建立了嵌入式執(zhí)行器和表面結(jié)構(gòu)的準穩(wěn)態(tài)模型，并將輸入壓力和外力與柔軟表面變形聯(lián)系起來。完整的模型是在機器人原型的實驗中驗證的，在這種原型中，在許多驅(qū)動級別上，誤差在表面?zhèn)乳L的5%以內(nèi)。

5 適用于軟機器人應用的多模應變和曲率傳感器[7]

Edward L.White等研究人員介紹了基于彈性體的傳感器的制造和測試，這些傳感器能夠測量單軸應變和曲率。這些傳感器是由Sylgard 184制成的，這是一種透明的有機硅彈性體。Edward L.White等直接在有機硅彈性體基板中創(chuàng)建微通道，使用激光來燒蝕材料。傳感元件是鎵和銦的合金，在室溫下是液體，包含在激光產(chǎn)生的微通道中。當基板變形時，微通道內(nèi)部變形，導致電阻發(fā)生可測量的變化。通過在傳感器的對立面上制造兩個匹配的電阻應變傳感元件，他們分別通過觀察電阻的共同模式和微分模式的變化，可以清楚地測量單軸應變和曲率。模式之間的耦合很少，說明了不同傳感器設計的效用。Edward L.White等人從傳感器對應變和曲率的響應、噪聲以及隨著時間的推移的穩(wěn)定性來描述傳感器的特征。他們相信這種類型的傳感器在軟感官皮膚中有應用，可以觀察到軟機器人系統(tǒng)的姿勢。

6 粒子增強和功能化的水凝膠用于軟體機器人的制作[8]

SpineMan是Tobias Preller等人提出的一種軟體機器人的原型，它由類似于人類脊柱的硬和軟段交替構(gòu)成。實現(xiàn)這樣的軟段可以超越傳統(tǒng)機器人的剛性，并確保更安全的工作空間，使人和機器可以在安全限制較低的情況下并排工作。他們使用水凝膠作為粘彈性材料，由聚乙烯醇和硼砂組成，通過包埋各種顆粒尺寸的二氧化硅顆粒以及不同質(zhì)量分數(shù)來定制水凝膠的機械性能。與純水凝膠相比，隨著質(zhì)量分數(shù)的增加以及顆粒尺寸的增大，復合材料的儲能模量提高了一倍以上。此外，超順磁性Fe3O4納米粒子的加入還能產(chǎn)生特定的功能，在原則上可用于機器人運動的感知和故障檢測，通過確定納米粒子的質(zhì)量含量，精確地調(diào)整軟段的飽和磁化強度。為了保證復合材料的長時間形狀穩(wěn)定性和防止大氣對復合材料的影響，采用了具有“邵氏硬度”（Shore Hardness）的硅橡膠皮。通過振動測試、冷掃描電鏡（cryo-SEM）、彎曲試驗和SQUID測試，對復合材料和軟段進行了表征，從而深入了解了SpineMan處于被動狀態(tài)和運動狀態(tài)的性能。

7 結(jié)語

軟體機器人是未來研究的一個重要方向，具有廣闊的應用前景。本文對軟體機器人技術的一些研究新進展進行了概述。近年來，在適用于軟機器人應用的多模應變和曲率傳感器、基于聲膜系統(tǒng)共振的聲執(zhí)行器在軟機器人驅(qū)動中的應用、軟機器人系統(tǒng)自動化設計和建?？蚣堋⒆儎偠溶洐C器人抓手抓握力的建模、超彈性材料的軟機器人表面的設計與建模、粒子增強和功能化的水凝膠用于軟體機器人的制作等領域都取得了新的研究成果。

參考文獻

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