北航跨介質(zhì)吸附仿生機(jī)器人最新研究進(jìn)展

北航機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院文力教授課題組，近日在跨介質(zhì)吸附仿生機(jī)器人領(lǐng)域取得新進(jìn)展。

機(jī)器人在高度非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的應(yīng)用，比如進(jìn)行多地形觀測(cè)、多介質(zhì)作業(yè)、多環(huán)境探查等，對(duì)機(jī)器人快速跨介質(zhì)運(yùn)動(dòng)（擴(kuò)大工作范圍）和高效暫棲（延長(zhǎng)工作時(shí)間）的能力有著廣泛的潛在需求。相比于傳統(tǒng)的飛行機(jī)器人，該課題組研究的跨介質(zhì)仿生吸附機(jī)器人一可以長(zhǎng)時(shí)間工作，二可以同時(shí)覆蓋水下和空中兩種介質(zhì)中運(yùn)動(dòng)范圍，這在探索基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題，對(duì)研制具有潛在用途的高性能跨域航行器方面具有重要意義。

機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水下和空中吸附主要面臨兩大挑戰(zhàn)：第一需要強(qiáng)力、可逆、自適應(yīng)性強(qiáng)的吸附裝置，該裝置可以同時(shí)在水下和空中發(fā)揮作用，使機(jī)器人可以在各種表面上高效吸/脫附，并可以產(chǎn)生足夠的切向力來(lái)抵抗高速來(lái)流的沖擊；第二需要可以快速、連續(xù)、穩(wěn)定跨越水/空界面的無(wú)纜機(jī)器人，用于搭載吸附裝置和工作設(shè)備。

該課題組通過(guò)實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)生物?魚(yú)吸盤(pán)的觀察發(fā)現(xiàn)，?魚(yú)只依靠吸盤(pán)的一部分即可吸附在帶孔的表面上，進(jìn)而揭示了?魚(yú)吸盤(pán)吸附復(fù)雜表面、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間吸附的新機(jī)理——鰭片獨(dú)立腔體、靜水壓增強(qiáng)的冗余吸附機(jī)理。課題組通過(guò)多個(gè)仿生對(duì)照組研究發(fā)現(xiàn)，?魚(yú)吸盤(pán)內(nèi)部對(duì)稱排列的鰭片之間可以形成獨(dú)立的密閉腔體，進(jìn)行局部吸附；外部柔軟的唇圈也可以形成整體的吸附，實(shí)現(xiàn)冗余吸附。當(dāng)靜水壓增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)鰭片主動(dòng)旋轉(zhuǎn)時(shí)，鰭片頂端的大量微刺結(jié)構(gòu)可以和吸附表面互鎖，增強(qiáng)摩擦力來(lái)克服剪切力，但微刺結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞獨(dú)立鰭片腔體的吸附。傳統(tǒng)吸盤(pán)裝置對(duì)泄漏和外部沖擊很敏感，而?魚(yú)吸盤(pán)在水下和空中的冗余和適應(yīng)性吸附，將摩擦力和吸附時(shí)間分別提升了44%和458%。該新機(jī)理的揭示對(duì)實(shí)現(xiàn)仿生機(jī)器人在各種表面上長(zhǎng)時(shí)間“搭便車(chē)”具有重要意義。

另一方面，為了解決水/空無(wú)縫跨越的挑戰(zhàn)，機(jī)器人需要在水和空氣之間進(jìn)行穩(wěn)定、連續(xù)、快速的跨越，并可以在這兩種介質(zhì)中航行。水和空氣兩種介質(zhì)的巨大差異性，導(dǎo)致跨介質(zhì)特征成為研究的難點(diǎn)。該課題組設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)單、低成本的可折疊螺旋槳，其在水下可以自適應(yīng)折疊，在空中可以被動(dòng)展開(kāi)。該可折疊螺旋槳在兩種介質(zhì)中的不同形態(tài)使得螺旋槳在兩種介質(zhì)中的工作轉(zhuǎn)速區(qū)間減小，縮短了工作轉(zhuǎn)速的切換時(shí)間。相比于使用普通螺旋槳，機(jī)器人的跨越介質(zhì)時(shí)間縮短了61.1%，顯著提升了機(jī)器人跨越水/空界面的速度。

圖水/空搭便車(chē)機(jī)器人跨介質(zhì)性能及其野外應(yīng)用

在上述研究基礎(chǔ)上，結(jié)合仿生?魚(yú)吸盤(pán)和高機(jī)動(dòng)的四旋翼無(wú)人機(jī)，該課題組研制了一款能夠跨水/空吸附、無(wú)纜的仿生機(jī)器人。其利用自適應(yīng)變形的折疊槳葉可以在水/空介質(zhì)之間實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、連續(xù)、快速跨越切換（0.35s），連續(xù)跨介質(zhì)出入水單次循環(huán)時(shí)間為2.9s；利用冗余吸附的仿生?魚(yú)吸盤(pán)能夠高效吸附復(fù)雜表面（彎曲、粗糙、不完整、生物污染表面等）并保持長(zhǎng)時(shí)間吸附，實(shí)現(xiàn)“搭便車(chē)”。

水/空搭便車(chē)機(jī)器人能抵抗較大的外部法向和切向力，使機(jī)器人能夠“暫棲”在靜止表面或“搭便車(chē)”到運(yùn)動(dòng)的物體上，從而延長(zhǎng)工作時(shí)間、擴(kuò)大工作范圍。與空中保持懸停狀態(tài)相比，仿生機(jī)器人的搭便車(chē)狀態(tài)的能量消耗減小了約50倍；與水下的游動(dòng)相比，搭便車(chē)的能量消耗減小了約19倍。在野外環(huán)境中，該機(jī)器人可以在海洋和峽谷溪流中跨越介質(zhì)，并且可以分別吸附在運(yùn)動(dòng)的船底和濕滑的巖石表面，進(jìn)行穩(wěn)定的觀測(cè)任務(wù)（圖）。

跨介質(zhì)仿生吸附機(jī)器人擴(kuò)展了飛行機(jī)器人的作業(yè)范圍和任務(wù)時(shí)間，并為未來(lái)的高性能跨介質(zhì)無(wú)人系統(tǒng)提供了新的思路。

此研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目“機(jī)器人仿生基礎(chǔ)理論與關(guān)鍵技術(shù)”、科技部重大研發(fā)計(jì)劃“智能機(jī)器人”專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院為合作研究單位。

（來(lái)源：北京航空航天大學(xué)）

寧波材料所探索研究仿生皮膚的疼痛感知功能

傳統(tǒng)的電子皮膚可以通過(guò)預(yù)先設(shè)定的電阻變化閾值來(lái)模擬人類的觸覺(jué)或痛覺(jué)功能，但通過(guò)應(yīng)變感知增強(qiáng)（SPS）來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)感知仍然存在一定的挑戰(zhàn)。

近期，中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)，基于碳基/高分子復(fù)合薄膜的構(gòu)筑及其柔性驅(qū)動(dòng)與傳感方面的研究，受生物軟組織應(yīng)變機(jī)械增強(qiáng)的啟發(fā)，提出基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚，實(shí)現(xiàn)從觸覺(jué)到痛覺(jué)感知的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)變。

在SPS材料系統(tǒng)中，靈敏度系數(shù)（GF）和施加的應(yīng)變具有典型的正相關(guān)性，并在應(yīng)變閾值前后GF表現(xiàn)出明顯的提高，從而實(shí)現(xiàn)感知從觸覺(jué)到痛覺(jué)的過(guò)渡。

該項(xiàng)研究采用界面自組裝和原位功能化策略構(gòu)筑具有界面互鎖結(jié)構(gòu)的二維石墨烯基彈性超薄膜（ECF）。與基于一維碳納米管的ECF不同，基于二維石墨烯片層的ECF表現(xiàn)出隨應(yīng)變正向變化的GF行為，這和真實(shí)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)感覺(jué)系統(tǒng)具有相似的感知趨勢(shì)。

在ECF中，石墨烯片層之間相互堆疊形成的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)不同程度的滑移靈敏地響應(yīng)外界應(yīng)變刺激，從而實(shí)現(xiàn)低應(yīng)變下正常的觸覺(jué)感知和高于應(yīng)變閾值的痛覺(jué)感知。進(jìn)一步地，通過(guò)調(diào)控石墨烯片層的厚度，可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)變閾值在7.2%~95.3%范圍內(nèi)變化。這種優(yōu)異的性能可調(diào)性將大大促進(jìn)ECF材料在基于SPS效應(yīng)的仿生皮膚中的應(yīng)用，以模仿人體組織的疼痛感知功能，比如監(jiān)測(cè)肌腱的過(guò)度拉伸以及手背皮膚受到拉扯產(chǎn)生的痛覺(jué)。

受河豚皮膚三維形變啟發(fā)，將ECF集成為自支撐形式的仿生皮膚，可以靈敏感知接觸或非接觸式機(jī)械刺激以及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)三維氣動(dòng)形變。不僅如此，還可以通過(guò)SPS效應(yīng)有效地檢測(cè)到處于過(guò)度膨脹狀態(tài)的三維形變，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的痛覺(jué)感知。未來(lái)，基于SPS效應(yīng)的ECF材料有望在安全友好的人機(jī)交互、智能假肢和軟體機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。

該項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金（52073295）、浙江（之江）實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放研究項(xiàng)目（2022MG0AB01）、國(guó)家自然科學(xué)基金委中德交流項(xiàng)目（M-0424）、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目（QYZDB-SSW-SLH036）、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作局（174433KYSB20170061）及王寬誠(chéng)國(guó)際交叉團(tuán)隊(duì)（GJTD-2019-13）等項(xiàng)目的資助。

（來(lái)源：中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所）

深圳先進(jìn)院研究多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立控制取得進(jìn)展

近日，中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院集成所智能仿生中心團(tuán)隊(duì)在微型機(jī)器人研究中取得進(jìn)展，針對(duì)相同磁場(chǎng)下多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人接收相同磁場(chǎng)而難以獨(dú)立控制的問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)提出一種完全解耦的多磁驅(qū)動(dòng)軟體微型機(jī)器人獨(dú)立控制策略，首次實(shí)現(xiàn)4個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立位置控制和3個(gè)磁性軟體微型機(jī)器人的獨(dú)立路徑跟隨控制。

多個(gè)微型機(jī)器人可協(xié)同執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)，從而增加系統(tǒng)冗余度和擴(kuò)展性，提高任務(wù)執(zhí)行效率。然而獨(dú)立控制多個(gè)由外界磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)器人具有挑戰(zhàn)，因?yàn)槿执艌?chǎng)中的多個(gè)微型機(jī)器人受到的磁場(chǎng)信號(hào)是相同的，難以實(shí)現(xiàn)選擇性地獨(dú)立驅(qū)動(dòng)多個(gè)微型機(jī)器人中的某一個(gè)。

該研究提出一種新穎的多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略，可實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制4個(gè)微型機(jī)器人分別去往不同目標(biāo)位置，以及控制3個(gè)微型機(jī)器人分別跟蹤不同的參考路徑。其主要方法是，首先設(shè)計(jì)一種毫米級(jí)軟體微機(jī)器人，可被外界振蕩磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)，并在平面上進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)；其次設(shè)計(jì)并制作一系列具有相同幾何形狀、但磁化方向不同的異構(gòu)軟體微型機(jī)器人，這些不同磁化方向的軟體微型機(jī)器人對(duì)振蕩磁場(chǎng)的速度響應(yīng)曲線相同，但相位不同；然后，基于異構(gòu)機(jī)器人的速度響應(yīng)模型，設(shè)計(jì)最優(yōu)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)控制算法，可針對(duì)微機(jī)器人群期望的速度矩陣，計(jì)算出相應(yīng)的最優(yōu)驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)策略，實(shí)現(xiàn)被選擇的一個(gè)機(jī)器人速度非零，其他的近似為零。

仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該多個(gè)磁驅(qū)動(dòng)微型機(jī)器人完全解耦的獨(dú)立控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，2-4個(gè)異構(gòu)軟體微型機(jī)器人的完全解耦獨(dú)立控制是可行的，且當(dāng)機(jī)器人數(shù)量不斷增加時(shí)，可能存在步態(tài)不穩(wěn)定、速度耦合的情況，但通過(guò)反饋控制得到優(yōu)化。在實(shí)驗(yàn)中，采用基于視覺(jué)的伺服控制方法，最多實(shí)現(xiàn)了4個(gè)微型機(jī)器人的位置控制和3個(gè)毫微米機(jī)器人的路徑跟蹤控制，控制誤差小于身體長(zhǎng)度的三分之一。

該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助，以及廣東省、中科院、深圳市等科技項(xiàng)目的資助。

（來(lái)源：深圳先進(jìn)技術(shù)研究院）

MIT團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)新型人造肌肉材料可用于軟體機(jī)器人

介電彈性體致動(dòng)器（Dielectric elastomer actuator， DEA）能夠基于電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)直接把電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能，可用于軟體機(jī)器人的“肌肉”制作。不過(guò)，相較驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)器人的壓電雙晶片和電磁電機(jī)等剛性執(zhí)行器，市面上大部分DEA的功率密度和壽命都較低，且需要較高的驅(qū)動(dòng)電壓。為此，來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種“基于并聯(lián)多層電極材料技術(shù)、具有低驅(qū)動(dòng)電壓、強(qiáng)耐久性”的新型 DEA，不僅能夠提升微型飛行器的動(dòng)力，而且使其各方面表現(xiàn)都優(yōu)于當(dāng)前同尺度下的其他飛行器。

據(jù)了解，集成該DEA的空中機(jī)器人在現(xiàn)有亞克級(jí)（sub-gram）空中機(jī)器人中性能最好、飛行時(shí)間最長(zhǎng)，其懸停時(shí)間達(dá)到20s，位置和姿態(tài)誤差分別小于2.5cm和2°，并實(shí)現(xiàn)了超過(guò) 200萬(wàn)次驅(qū)動(dòng)循環(huán)的長(zhǎng)使用壽命。而且，該機(jī)器人在升力重量比（lift-to-weight ratio）方面也有所提升，從之前的2:1提升到 3.7:1，是目前同尺寸下能達(dá)到的最好性能。據(jù)介紹，這樣的突破歸功于研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步降低了DEA每一層彈性聚合物的厚度。此外，該團(tuán)隊(duì)針對(duì)DEA驅(qū)動(dòng)電壓較高的問(wèn)題也做出了努力，此前DEA需要達(dá)到接近2000V的工作電壓才能使機(jī)器人完成起飛動(dòng)作，而該團(tuán)隊(duì)研制的DEA只需要大約500V的工作電壓。

研究人員表示，從材料角度出發(fā)，降低電壓就是要在減小每層彈性聚合物厚度的同時(shí)，增加相應(yīng)的層數(shù)。雖然思路很容易被想到，但具體操作起來(lái)會(huì)有各種問(wèn)題。比如，層數(shù)增加會(huì)使得烘烤聚合物的時(shí)間增長(zhǎng)，驅(qū)動(dòng)器的整體制作時(shí)間也成倍增長(zhǎng)，不利于進(jìn)一步減小厚度；而且，隨著厚度的減小，彈性聚合物中的氣泡很容易在通電測(cè)試的過(guò)程中被擊穿，從而導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器整體性能的下降。

面對(duì)這些問(wèn)題，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了反復(fù)的制作工藝調(diào)整和樣品測(cè)試，同時(shí)引入了一些針對(duì)性的解決措施，比如在每層彈性聚合物旋涂后，立即抽真空，以大幅減少氣泡，以及多次放入烤箱等具體的加工工藝細(xì)節(jié)。

研究人員進(jìn)行了各種對(duì)比測(cè)試，如靜態(tài)扇翅測(cè)試、動(dòng)態(tài)升力測(cè)試和飛行器起飛測(cè)試等。通過(guò)這些測(cè)試，研究人員獲得了完整的數(shù)據(jù)，證明其加工工藝的確提高了DEA和微型飛行器的整體性能。 （來(lái)源：深科技）

UCSB和迪士尼研究人員研發(fā)跳躍機(jī)器人

受生物啟發(fā)研制各種仿生機(jī)器人是從事機(jī)器人技術(shù)研究的科學(xué)家們普遍采納的方法。美國(guó)加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校（UCSB）和迪士尼研究院的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，專注研究跳躍機(jī)器人，近日在《nature》雜志上刊文介紹其研制的一款機(jī)器人可彈跳33m。

該團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，動(dòng)物最大跳躍高度受限于其肌肉單次動(dòng)作能做的功，而設(shè)計(jì)裝置如采用能在重復(fù)動(dòng)作或旋轉(zhuǎn)中存儲(chǔ)能量的棘輪式或旋轉(zhuǎn)電機(jī)，跳躍高度會(huì)高得多。其研制的機(jī)器人大約高30cm，重30g，跳躍高度超過(guò)自身高度的100倍，這一成果刷新了自然界生物和機(jī)器人的彈跳記錄，或可改變未來(lái)彈跳機(jī)器人的工作方式。

該機(jī)器人主要由充當(dāng)彈簧的碳纖維弓和以張力儲(chǔ)存能量的橡皮筋組成。機(jī)器人的中心部分包括電機(jī)、電池以及一個(gè)連接機(jī)器人頂部和底部的繩狀閂鎖機(jī)制。在準(zhǔn)備階段，機(jī)器人先旋轉(zhuǎn)電機(jī)，利用纏繞的繩索將機(jī)器人壓扁，逐漸儲(chǔ)存起跳能量。一旦繩子完全纏繞，電機(jī)就可以觸發(fā)鎖扣機(jī)制，在約9ms內(nèi)釋放所有的能量，機(jī)器人速度從0加速到28m/s。

（璣薇）

科學(xué)家開(kāi)發(fā)上肢神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練機(jī)器人平臺(tái)

神經(jīng)系統(tǒng)疾病導(dǎo)致的上肢運(yùn)動(dòng)受限，可以通過(guò)神經(jīng)康復(fù)訓(xùn)練、神經(jīng)假體和神經(jīng)修復(fù)進(jìn)行治療。為了這一需要，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了大鼠神經(jīng)機(jī)器人平臺(tái)。

該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)包含一個(gè)與大鼠的前肢手腕連接的末端執(zhí)行器，可以使大鼠在無(wú)輔助或完全輔助的情況下執(zhí)行抓取和收回食物運(yùn)動(dòng)。相比于傳統(tǒng)的單一自由度末端執(zhí)行器，本研究采用四自由度末端執(zhí)行器，并在機(jī)械結(jié)構(gòu)上安裝精密編碼器和六維傳感器。這使得大鼠上肢活動(dòng)更自然，采集到的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)信號(hào)更完整?？茖W(xué)家可以通過(guò)調(diào)整平臺(tái)使大鼠以站立或趴著的姿態(tài)完成上肢抓取任務(wù)，并且通過(guò)鈣離子成像技術(shù)監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)中樞的活動(dòng)。這種多模式記錄功能允許精確量化脊髓損傷(SCI)后上肢運(yùn)動(dòng)的恢復(fù)，進(jìn)而揭示這種恢復(fù)背后的皮質(zhì)脊髓束神經(jīng)元?jiǎng)恿W(xué)的適應(yīng)性。

（來(lái)源：科技部生物中心）