軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)機(jī)理與驅(qū)動(dòng)材料研究綜述
2017-1-12 來源：浙江大學(xué)工程力學(xué)系 作者：李鐵風(fēng) 李國瑞 梁藝鳴 程聽雨楊栩旭黃志
摘要：軟體機(jī)器人是一類新型機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)柔軟度高，環(huán)境適應(yīng)性好，親和性強(qiáng)，功能多樣等特點(diǎn)，有著十分廣闊的研究和應(yīng)用前景. 智能材料在軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及實(shí)際應(yīng)用中扮演了重要的角色，其特殊的驅(qū)動(dòng)機(jī)制極大拓展了軟體機(jī)器人的功能. 介紹了軟體機(jī)器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，按其應(yīng)用場合及功能總結(jié)了幾種典型的軟體機(jī)器人. 從仿生機(jī)理的角度，介紹了蠕蟲、彎曲爬行蟲、魚類游動(dòng)等幾類仿生運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及其相應(yīng)的軟體機(jī)器人. 還按不同驅(qū)動(dòng)類型將軟體機(jī)器人歸納為氣動(dòng)、形狀記憶合金、離子交換聚合物金屬復(fù)合材料、介電高彈體、響應(yīng)水凝膠、化學(xué)燃燒驅(qū)動(dòng)等類型. 介紹了軟體機(jī)器人的制作方法與工藝，分析了目前軟體機(jī)器人研究的主要挑戰(zhàn)，提出對未來研究的展望.
關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人，智能材料，仿生機(jī)理
0.引言
隨著人類生產(chǎn)生活的不斷發(fā)展，機(jī)器人學(xué)、自動(dòng)控制理論的不斷進(jìn)步，人類對于機(jī)器人技術(shù)的需求不斷提升. 在人類不宜涉足的極端和危險(xiǎn)的工程環(huán)境中，機(jī)器人為人類提供了很大的便利[1]. 傳統(tǒng)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)通常由電機(jī)、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等構(gòu)件組裝而成，盡管動(dòng)力足、功率大、性能成熟，但是也存在很多缺點(diǎn)，例如笨重、安全系數(shù)低、環(huán)境適應(yīng)性差、可靠性低、傳動(dòng)效率低下、噪聲大等. 自然界生物的柔軟的身體、優(yōu)良的靈活性和強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)性為機(jī)器人的發(fā)展提供了新思路. 軟體機(jī)器人以自然界的軟體生物為原型，其軀體主要由可以承受大變形的彈性材料構(gòu)成，可以連續(xù)地變形，具有極高的自由度. 通過模仿軟體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，這種機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)蠕動(dòng)、扭轉(zhuǎn)、爬行、游動(dòng)等運(yùn)動(dòng)形式[2]. 軟體機(jī)器人可以根據(jù)實(shí)際需要任意地改變自身形狀和尺寸，在更加復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè). 此外，相比于傳統(tǒng)的硬質(zhì)機(jī)器人，軟體機(jī)器人具有更高的安全性和更好的環(huán)境相容性，更加適合服務(wù)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域. 基于以上優(yōu)點(diǎn)，軟體機(jī)器人在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事偵察等領(lǐng)域都有著很好的潛力.
智能材料是指在電、光、熱、催化劑等外界激勵(lì)下表現(xiàn)出特有功能響應(yīng)的材料[3-7]. 這些功能響應(yīng)可以是變形、化學(xué)反應(yīng)、熒光等. 近年來，智能材料在機(jī)器人領(lǐng)域扮演了重要角色，例如氣動(dòng)、shapememory alloy (SMA)、ionic polymer metal composite(IPMC)、dielectric elastomer (DE)、響應(yīng)水凝膠機(jī)器人等. 目前，智能材料在機(jī)器人方面已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，由智能材料驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人具有靈活、體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)性好、噪聲低等優(yōu)勢.
本文介紹了軟體機(jī)器人的研究現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)機(jī)理、驅(qū)動(dòng)類型、結(jié)構(gòu)成型，分析了其中的技術(shù)難點(diǎn)并對未來的研究做出了展望.
1.研究現(xiàn)狀
軟體機(jī)器人是一種新型的機(jī)器人，是機(jī)器人研究的拓展. 軟體機(jī)器人具有良好的靈活性、環(huán)境適應(yīng)性，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，軟體機(jī)器人已經(jīng)成為了機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn). 目前，科學(xué)家們對軟體機(jī)器人的研究仍處于初步階段. 現(xiàn)有的軟體機(jī)器人按照結(jié)構(gòu)機(jī)理可分為：(1) 撲翼式[8-14]、擺尾式[15-17]、噴射式水中機(jī)器人[18-21]，(2) 蠕動(dòng)式[22-27]、彎曲爬行機(jī)器人[28-33]，(3) 抓取機(jī)器人[34-38] 和(4) 跳躍機(jī)器人[39-40] 等.2007 年，美國國防部高等研究計(jì)劃局(DARPA)提出化學(xué)機(jī)器人Chembots 的研究計(jì)劃，并由塔夫斯大學(xué)(Tufts University) 承擔(dān). 該化學(xué)機(jī)器人結(jié)合了機(jī)器人學(xué)和材料化學(xué)，采用軟材料制成，甚至呈現(xiàn)液態(tài)狀，可以自由變形，穿越狹窄的孔隙[41]. 在歐洲委員會(huì)的資助下，歐洲5 個(gè)國家的研究機(jī)構(gòu)成立了“章魚觸手” 項(xiàng)目組. 該項(xiàng)目于2009 年2 月啟動(dòng)，2013 年完成，主要是開發(fā)軟體水下章魚機(jī)器人原型，研究章魚機(jī)器人的傳感、驅(qū)動(dòng)和相應(yīng)的控制方法[42-44]. 塔夫斯大學(xué)Barry A. Trimmer 研究組在DARPA 的資助下研發(fā)的GoQBot 機(jī)器人[28] 以彎曲爬行蟲為原型，由形狀記憶合金(SMA) 驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬行，翻滾等運(yùn)動(dòng)形式. 麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和韓國漢城國立大學(xué)合作研發(fā)的Meshworm 機(jī)器人[22] 由形狀記憶合金絲驅(qū)動(dòng)，可以模仿蚯蚓的蠕動(dòng). 哈佛大學(xué)的GorgeM. Whitesides 研究組研發(fā)了一系列氣動(dòng)軟體機(jī)器人[23;34-35;45-46]、內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人[39-40]，可以實(shí)現(xiàn)爬行、跳躍、抓取等運(yùn)動(dòng)形式. 此外還有康奈爾大學(xué)的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機(jī)器人[24] 等. 日本岡山大學(xué)的仿蝠鲼軟體機(jī)器魚也采用氣動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式[9]，可以實(shí)現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎. 在響應(yīng)凝膠驅(qū)動(dòng)方面，日本早稻田大學(xué)采用自震蕩響應(yīng)凝膠研發(fā)了仿生尺蠖[29]，可以在無外界激勵(lì)條件下實(shí)現(xiàn)周期性伸縮運(yùn)動(dòng). 弗吉尼亞大學(xué)仿生工程實(shí)驗(yàn)研發(fā)的仿生蝠鲼機(jī)器魚則用IPMC 驅(qū)動(dòng)[10]，可以實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)動(dòng)模式.
2.結(jié)構(gòu)機(jī)理
軟體動(dòng)物的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)形式為軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供了很好的參考. 現(xiàn)有的軟體機(jī)器人主要分為爬行機(jī)器人、游泳機(jī)器人、抓取機(jī)器人以及跳躍機(jī)器人. 其中爬行機(jī)器人包括蠕動(dòng)機(jī)器人、彎曲爬行機(jī)器人，游泳軟體機(jī)器人包括仿生撲翼式軟體機(jī)器魚、波動(dòng)鰭軟體機(jī)器魚、擺尾式軟體機(jī)器魚、仿生烏賊和仿生水母等，抓取機(jī)器人包括抓持式機(jī)器人、電吸附式機(jī)器人，跳躍機(jī)器人有單足跳躍機(jī)器人、
多足跳躍機(jī)器人等. 本章將對各類不同結(jié)構(gòu)機(jī)理的軟體機(jī)器人歸納分類.
2.1 蠕蟲和彎曲爬行蟲
蠕蟲的軀體是典型的流體靜力骨骼(hydrostaticskeleton) 結(jié)構(gòu)，由表皮、肌肉、體液和神經(jīng)系統(tǒng)組成.以蚯蚓為例，它的肌肉屬于斜紋肌，肌肉構(gòu)成封閉的體腔，內(nèi)部充滿體液，形成靜水骨骼結(jié)構(gòu). 蚯蚓的肌肉占全身體積的40%，由環(huán)肌和縱肌組成. 當(dāng)某個(gè)體節(jié)縱肌收縮時(shí)，該體節(jié)直徑增大，當(dāng)環(huán)肌收縮時(shí)，該體節(jié)的直徑減小，長度增大. 蚯蚓就是通過各個(gè)體節(jié)之間的肌肉收縮產(chǎn)生的行進(jìn)波來實(shí)現(xiàn)向前的運(yùn)動(dòng).麻省理工學(xué)院仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室首先采用SMA 作為驅(qū)動(dòng)器開發(fā)出仿生蚯蚓機(jī)器人Meshworm[22]. 蚯蚓和Meshworm 的身體結(jié)構(gòu)分別如圖1(a) 和圖1(b)所示.
圖1 蚯蚓身體結(jié)構(gòu)和Meshworm
彎曲爬行蟲的軀體結(jié)構(gòu)也屬于流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)，其肌肉組織包含斜肌、縱肌以及小塊肌肉，構(gòu)成了復(fù)雜的肌肉組織. 通過控制腳和基底之間的壓力變化和身體的張力，它可以實(shí)現(xiàn)向前的爬行運(yùn)動(dòng)和穿越障礙. 塔夫斯大學(xué)Barry A. Trimmer 實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的仿生毛蟲機(jī)器人GoQBot[28]，由SMA 驅(qū)動(dòng)，能夠?qū)崿F(xiàn)爬行、翻滾等運(yùn)動(dòng)形式，彎曲爬行蟲和GoQBot的身體結(jié)構(gòu)分別如圖2(a) 和圖2(b) 所示.
圖2 彎曲爬行蟲和GoQBot
2.2 水中機(jī)器人
按照游動(dòng)方式，水中生物的運(yùn)動(dòng)方式可以分為撲翼式(蝠鲼)、尾鰭擺動(dòng)式以及噴射式(烏賊、水母).擺尾式機(jī)器魚通過自身肌肉的交替伸縮實(shí)現(xiàn)身體的擺動(dòng)，從而帶動(dòng)尾鰭周期性擺動(dòng)獲取水動(dòng)力實(shí)現(xiàn)推進(jìn). 擺尾式魚類以及麻省理工學(xué)院開發(fā)的軟體機(jī)器魚[15] 如圖3(a) 和圖3(b) 所示. 典型撲翼式魚為蝠鲼，它們通過胸鰭周期性的撲動(dòng)實(shí)現(xiàn)推進(jìn)，撲翼魚類以及北京航空航天大學(xué)開發(fā)的仿生機(jī)器魚[8] 分別如圖3(c) 和圖3(d) 所示. 水母通過收縮外殼的方式擠壓內(nèi)腔，可以改變自身內(nèi)腔的體積，實(shí)現(xiàn)噴水推進(jìn). 自然界中的水母與弗吉尼亞理工大學(xué)開發(fā)的SMA 驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器水母[18] 分別如圖3(e) 和圖3(f)所示.
圖3 水中生物原型和軟體水中機(jī)器人
2.3 其他
此外，軟體機(jī)器人類型還有跳躍式機(jī)器人[39-40]、軟體抓取結(jié)構(gòu)[34-38]、行走機(jī)器人[47-48]以及滾動(dòng)機(jī)器人[49] 等. 這幾類機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)制，受到自然界中例如蝗蟲和跳蚤蓄力爆發(fā)跳躍(跳躍式機(jī)器人)，章魚多觸手變形抓取(軟體抓取結(jié)構(gòu))，甲殼蟲多足爬行(行走機(jī)器人) 等原型啟發(fā). 這些機(jī)器人的結(jié)構(gòu)機(jī)理與驅(qū)動(dòng)行為將在下一章中具體介紹.
3.驅(qū)動(dòng)類型
3.1 氣動(dòng)軟體機(jī)器人
氣動(dòng)軟體機(jī)器人是指通過在結(jié)構(gòu)中充氣，利用氣壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或者運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的一類軟體機(jī)器人. 哈佛大學(xué)George M. Whitesides 研究組研發(fā)出了充氣式蠕動(dòng)軟體機(jī)器人[23]，如圖4(a) 所示. 該軟體機(jī)器人身長約12.7 cm，通過充氣產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，可以穿越障礙，進(jìn)入狹小空間，并且具備很強(qiáng)的抗沖擊性能. 該團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了充氣式驅(qū)動(dòng)器[45]、抓取機(jī)器人[34-35] 等等. 康奈爾大學(xué)的Larson 等[24] 開發(fā)了一種拉伸性能很好且具有電致發(fā)光功能的人造皮膚，并將這種電子皮膚整合到充氣式軟體機(jī)器人中，展現(xiàn)了軟體機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中的發(fā)光效果見圖4(b). Brown 等[36] 研發(fā)的球形軟體抓手，通過抽氣改變氣壓的方式實(shí)現(xiàn)抓取，如圖4(c) 所示.
日本岡山大學(xué)研發(fā)了氣動(dòng)軟體機(jī)器魚[9]，如圖4(d) 所示. 該機(jī)器魚模仿蝠鲼的外形和推進(jìn)機(jī)理. 該機(jī)器魚的軀體材料為硅橡膠，體長為150mm，體寬為170mm，通過氣動(dòng)閥進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，最大游動(dòng)速度可達(dá)100mm/s. 北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所研發(fā)了一款氣動(dòng)仿生蝠鲼機(jī)器魚[8]. 該機(jī)器魚的主體為硅橡膠，翼展560mm，身長320mm，最大游動(dòng)速度為0.5 倍身長每秒. 氣動(dòng)機(jī)器人具有變形大、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，但是需要面臨氣源、控制等方面的挑戰(zhàn).
圖4 氣動(dòng)機(jī)器人
3.2 形狀記憶合金軟體機(jī)器人
形狀記憶合金(SMA) 是一種智能合金材料，在加熱時(shí)能夠恢復(fù)原始形狀，消除低溫狀態(tài)下所發(fā)生的變形. 形狀記憶合金的熱力耦合行為源于材料本身的相變，例如熱彈性馬氏體相變. 在形狀記憶合金中存在兩種相，高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相.馬氏體一旦形成，就會(huì)隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會(huì)減少，以完全相反的過程消失.兩項(xiàng)自由能之差作為相變驅(qū)動(dòng)力，兩項(xiàng)自由能相等的溫度T0 稱為平衡溫度. 只有當(dāng)溫度低于平衡溫度T0 時(shí)才會(huì)產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當(dāng)溫度高于平衡溫度T0 時(shí)才會(huì)發(fā)生逆相變. 在SMA 中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力正相關(guān). 形狀記憶合金可以用于智能材料驅(qū)動(dòng)器中.
Menciassi 等[25] 首先將SMA 驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用于蠕蟲的仿生機(jī)器人中，如圖5(a) 所示. Menciassi 參考了蚯蚓的運(yùn)動(dòng)機(jī)制，將SMA 彈簧嵌入硅橡膠外殼中并串聯(lián)成竹節(jié)狀，配置好各節(jié)的驅(qū)動(dòng)電流，運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)0.22mm/s. 模仿生物爬行的軟體機(jī)器人還有Du 等研發(fā)的3 種模式運(yùn)動(dòng)機(jī)器人[30]，GoQBot 機(jī)器人[28]，Meshworm 機(jī)器人[22]. Kim 等[11] 研發(fā)了一種通過SMA 驅(qū)動(dòng)的仿生海龜，如圖5(b) 所示. 它的最高游動(dòng)速度為22.8mm/s. 此外，該研究組研發(fā)了一
圖5 SMA 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人
款新型的SMA 仿生龜[12]，其最大游動(dòng)速度為11.5 cm/s. Wang 等[16] 設(shè)計(jì)了一種SMA 驅(qū)動(dòng)的柔性鰭單元，如圖5(c) 所示，并將其應(yīng)用于仿蝠鲼機(jī)器人[13] 中，如圖5(d) 所示. 文獻(xiàn)[18-19] 模仿水母的運(yùn)動(dòng)，制作了可做沉浮運(yùn)動(dòng)的水下機(jī)器人. 此外，SMA還被應(yīng)用于攀爬機(jī)器人[31]，仿生飛行器[50-51]，機(jī)器人面部表情驅(qū)動(dòng)[52-53] 等.形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大驅(qū)動(dòng)力、大驅(qū)動(dòng)位移等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在溫度難以控制、驅(qū)動(dòng)頻率低等問題.
3.3 IPMC 軟體機(jī)器人
IPMC 的全稱是離子交換聚合物金屬復(fù)合材料，是一種電致變形的智能材料(離子型). IPMC 材料由Nafion 鋰子交換薄膜和電極組成. 在含水狀態(tài)下，聚合物薄膜中的陽離子(例如鈉離子和鈣離子)可以自由移動(dòng)，陰離子固定在碳鏈中不能移動(dòng). 在IPMC 電極的兩端施加上電壓時(shí)，在電極之間會(huì)產(chǎn)生電場. 在電場的作用下，水合的陽離子向負(fù)極移動(dòng)，而陰離子的位置固定不變. 從而導(dǎo)致IPMC 的負(fù)極溶脹，正極收縮而導(dǎo)致IPMC 彎曲變形.IPMC 具有變形靈活、可重復(fù)，大位移，低電壓驅(qū)動(dòng)，響應(yīng)速度快等特點(diǎn). 基于IPMC 的這些特點(diǎn)，可以廣泛地用于智能材料機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器中，尤其適用于水環(huán)境機(jī)器人，如仿生機(jī)器魚、機(jī)器水母等.
Hubbard 等[14] 將IPMC 應(yīng)用于仿生機(jī)器魚中，用于驅(qū)動(dòng)機(jī)器魚的胸鰭和尾鰭. 該機(jī)器魚的最大游動(dòng)速度為28mm/s，如圖6(a) 所示. Shen 等[17] 模仿鯨魚的游動(dòng)方式，使用IPMC 尾鰭研發(fā)了一款仿生機(jī)器魚，并研究了其水動(dòng)力性能，如圖6(b) 所示. 弗吉尼亞大學(xué)仿生工程實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動(dòng)的仿生蝠鲼機(jī)器魚[10]，如圖6(c) 所示. 該機(jī)器魚的胸鰭由兩側(cè)的4 根IPMC 鰭條驅(qū)動(dòng)，身長80mm，翼展180mm，最大游動(dòng)速度為4.2mm/s. 弗吉尼亞理工大學(xué)將IPMC 驅(qū)動(dòng)器嵌入聚烯烴薄膜中，開發(fā)出透明軟體水母[20]，如圖6(d) 所示. 該水母的直徑為164mm，高為50mm，重量為11 g，游動(dòng)速度為1.5mm/s. 此外，伊朗沙力夫理工大學(xué)研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)機(jī)器人[49]，如圖6(e) 所示. 德克薩斯A&M 大學(xué)研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動(dòng)的行走機(jī)器人[47]，如圖6(f) 所示. IPMC 驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人具有大輸出位移、運(yùn)動(dòng)靈活等優(yōu)點(diǎn)，而其主要不足有輸出力較小，響應(yīng)頻率低、材料需要液體環(huán)境等.
圖6 IPMC 機(jī)器人
3.4 介電高彈體軟體機(jī)器人
介電高彈體(DE) 是一種典型的電致變形智能軟材料(電子型). 聚丙烯酸類材料是一種典型的介電高彈體材料，在介電高彈體薄膜的兩側(cè)覆蓋柔性電極，并施加驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，介電高彈體薄膜在電場力的作用下產(chǎn)生變形，導(dǎo)致厚度減小，面積擴(kuò)張. 介電高彈體具有彈性模量低、質(zhì)輕、能量密度大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn). 介電高彈體可用于軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、柔性傳感器、智能穿戴設(shè)備以及能量采集等.浙江大學(xué)工程力學(xué)系、浙江省軟體機(jī)器人與智能器件研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究組基于介電高彈體的力電耦合特性，通過利用力電失穩(wěn)實(shí)現(xiàn)了材料的極大電致變形[54]，并可振動(dòng)調(diào)頻，能用于智能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)[55].此外，該研究小組還參考了彎曲爬行蟲，海星等無脊椎動(dòng)物，研發(fā)了一種小型的智能結(jié)構(gòu)[32]，如圖7(a) 所示. 以該結(jié)構(gòu)作為基本模塊，可以制成多種形狀的小型機(jī)器人. 在不同的預(yù)拉伸狀態(tài)下以及不同的電壓的驅(qū)動(dòng)下，這種機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)幅度也會(huì)隨之改變. Kofod 基于介電高彈體材料做了三角狀抓手[38]，可以抓起輕質(zhì)的柱狀物體，如圖7(b)所示. Jung 等[26] 以蠕蟲為靈感，做成以介電材料為單元的驅(qū)動(dòng)器，再以6 個(gè)基本單元為一組，做成一個(gè)二級的圓形單元，最后這種二級的圓形單元可以連接成任意長度的蠕蟲機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)1mm/s的爬行速度，如圖7(c) 所示. Choi 等[56] 將多層介電材料薄膜制成的驅(qū)動(dòng)器作為基本結(jié)構(gòu)單元，以這種單元為基礎(chǔ)組裝成管狀的智能機(jī)器人，如圖7(d)所示. Pei 等[48] 基于介電高彈體材料，做成圓柱形驅(qū)動(dòng)器單元，并組裝成六足行走機(jī)器人或者首尾連接的蠕蟲機(jī)器人，如圖7(e) 所示. Zhao 等[57] 研發(fā)了一種撲翼結(jié)構(gòu)，這種馬鞍形狀的介電材料的驅(qū)動(dòng)器在5 000V，3 Hz 的驅(qū)動(dòng)電壓下，可以實(shí)現(xiàn)大于180。的角度變化，如圖7(f) 所示. 這種撲翼結(jié)構(gòu)也為空中飛行驅(qū)動(dòng)器提供了一個(gè)很好的參考. 此外，Conn 等[27] 研發(fā)了一種結(jié)合氣動(dòng)與電動(dòng)并以介電高彈體為材料的蠕蟲機(jī)器人. 這種機(jī)器人是以介電高彈體薄膜封裝的一個(gè)圓筒形結(jié)構(gòu)為單元，并且可以將這些單元連接成不同長度的機(jī)器人. 該機(jī)器人在充氣后，介電薄膜進(jìn)入工作狀態(tài)，施加電壓后可以通過底部的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力前進(jìn). Branz等[58] 研發(fā)了一種以介電高彈體為基本材料的雙
圖7 DE 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人
軸機(jī)器人，這種機(jī)器人在水平x-z 方向和豎直x-y 方向分別有兩個(gè)圓柱形的軸，在電的驅(qū)動(dòng)下，介電薄膜會(huì)發(fā)生形變，帶動(dòng)兩個(gè)軸運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)前進(jìn). Shintake等[37] 開發(fā)了一種電吸附式的介電高彈體軟體抓手，可以抓起82.1 g 的物體. 介電高彈體機(jī)器人具有大驅(qū)動(dòng)力、大驅(qū)動(dòng)位移等優(yōu)點(diǎn)，但也面臨著驅(qū)動(dòng)電壓高等挑戰(zhàn).
3.5 響應(yīng)水凝膠軟體機(jī)器人
水凝膠是由親水性的功能高分子，通過物理或化學(xué)作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸水溶脹而形成.響應(yīng)水凝膠指能夠?qū)ν獠凯h(huán)境的變化產(chǎn)生響應(yīng)性變化的水凝膠，如一些水凝膠能因外界溫度、pH 值、光電信號、特殊化學(xué)分子等的微小變化，而產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化. 如一類具有低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST) 的溫敏水凝膠，其在溫度低于LCST 時(shí)，表現(xiàn)為親水性，而高于LCST 時(shí)相轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷? 水凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)的相轉(zhuǎn)變使得水凝膠中的水分大量出入其中(溫度升高縮水，降低吸水)，從而使得水凝膠產(chǎn)生體積等形態(tài)變化. 又例如一類具有對酸堿度敏感的水凝膠，其高分子網(wǎng)絡(luò)中含有可電離的陰離子基團(tuán)(羧基、磺酸基等) 或陽離子基團(tuán)(氨基等)，外界pH 值的改變影響這些基團(tuán)的電離情況，使得它們與水分子的結(jié)合情況也發(fā)生相應(yīng)的改變，從而使水凝膠的體積形態(tài)隨著pH 值的改變而發(fā)生變化. 由于智能水凝膠能夠隨外界環(huán)境變化，而產(chǎn)生形變，其可以作為智能驅(qū)動(dòng)材料應(yīng)用于柔性機(jī)器人驅(qū)動(dòng)等領(lǐng)域[59].
Nakamaru 等[29] 以凝膠為材料，研發(fā)了一種外形簡單，有著類似蠕蟲的運(yùn)動(dòng)模式的仿生機(jī)器人. 這種機(jī)器人在不改變外界驅(qū)動(dòng)方式和刺激的情況下可以自己通過自震蕩的方式移動(dòng)，如圖8(a) 所示. Morales等[33] 研發(fā)了一種以水凝膠為基底的片狀驅(qū)動(dòng)器. 該驅(qū)動(dòng)器分為兩部分，分別作為機(jī)器人的兩只腳，這兩只腳分別為陰離子腳和陽離子腳，通過改變電極的方向使機(jī)器人產(chǎn)生不同方向的形變從而使其移動(dòng)，如圖8(b) 所示. Lee 等[60] 同樣是以水凝膠作為基本材料，以自然界中的捕蠅草為靈感，制備了一種表面具有微流道的微型機(jī)器人，可以通過機(jī)器人表面的微流道吸水和失水時(shí)所產(chǎn)生的表面形變來使其運(yùn)動(dòng).此外，Li 等[20] 用pH 值響應(yīng)水凝膠開發(fā)了一款軟體水母，該水母為磁驅(qū)動(dòng). 水凝膠機(jī)器人能夠通過自身化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，但是面臨驅(qū)動(dòng)力小、難以精確控制的挑戰(zhàn).
圖8 水凝膠機(jī)器人
3.6 內(nèi)燃軟體機(jī)器人
Shepher 等[39] 研究組研發(fā)了一種三角狀的有機(jī)彈性體機(jī)器人. 該機(jī)器人以甲烷與氧氣燃燒反應(yīng)使氣體體積膨脹為驅(qū)動(dòng)機(jī)制，在分別通入純氧和甲烷混合反應(yīng)之后，這種機(jī)器人可發(fā)生形變并且跳躍，最高可達(dá)到跳離地面300mm (30 倍身高)，如圖9(a)所示. 同樣是以跳躍為運(yùn)動(dòng)形式，Bartlett 等[40] 應(yīng)用三維打印技術(shù)制造了一種內(nèi)燃驅(qū)動(dòng)機(jī)器人. 該機(jī)器人也是以化學(xué)反應(yīng)放能作為驅(qū)動(dòng)機(jī)制，丁烷和氧氣在一個(gè)三角狀的密閉腔室里發(fā)生反應(yīng)，使這個(gè)小型機(jī)器人跳躍，并且可以通過給底部的腳分別充氣實(shí)現(xiàn)定向的跳躍，如圖9(b) 所示. 內(nèi)燃機(jī)器人具有驅(qū)動(dòng)力大，運(yùn)動(dòng)幅度大的優(yōu)勢，但是存在著控制難度大的挑戰(zhàn).
圖9 內(nèi)燃機(jī)器人
4.結(jié)構(gòu)成型
軟體機(jī)器人的制造包括了機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)制造、驅(qū)動(dòng)材料制造、柔性電子電路制造. 文獻(xiàn)[2, 61]總結(jié)了軟體機(jī)器人的制造工藝，包括了形狀沉積、納米壓印、激光消融、微注射成型、3D 打印等.圖10 為形狀沉積法(shape deposition manufacturing,SDM) 的流程示意圖. Merz 等[62] 早在1994 年就詳述了SDM 的具體實(shí)施步驟. 21 世紀(jì)初，MarkCutkosky 研究組最早將SDM 應(yīng)用于機(jī)器人的結(jié)構(gòu)制造[63]. 運(yùn)用形狀沉積法，可以把傳感器、電路組件嵌入結(jié)構(gòu)中，制作柔軟的結(jié)構(gòu)并使其具備多種功能.
圖10 SDM 工藝流程圖
介電高彈體驅(qū)動(dòng)器涉及的主要制造工藝包括聚合物薄膜的制作、薄膜的預(yù)拉伸、電極的集成和封裝等. 如圖11 所示，薄膜可用注模、旋涂、3D 打印制造或使用膠帶(VHB, 3M)，使用掩模、轉(zhuǎn)印或?yàn)R射沉積法使電極均勻覆蓋于薄膜兩側(cè). 柔性電極的集成是DE 驅(qū)動(dòng)器制造的關(guān)鍵步驟. 在可伸展電子系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形如拉伸、扭轉(zhuǎn)、折疊時(shí)，系統(tǒng)的電力和機(jī)械耗散應(yīng)盡可能小. 這就要求電極有一定的柔順度、良好的傳導(dǎo)率甚至特定的外觀. 使用柔性電極在介電高彈體表面制備具有特定形狀的導(dǎo)電區(qū)域，可以實(shí)現(xiàn)通過二維平面制造對智能結(jié)構(gòu)三維形狀的驅(qū)動(dòng)控制[64].
圖11 DE 驅(qū)動(dòng)器制造流程
Rosset 等[66] 綜述了應(yīng)用于DE 驅(qū)動(dòng)器的柔性電極及其集成方法. 常用的柔性電極有石墨粉、碳膏、銀納米線等. Keplinger 等[67] 將水凝膠作為電極應(yīng)用于DE 驅(qū)動(dòng)器制造，制造的驅(qū)動(dòng)器高度透明. 可運(yùn)用于對外觀有相關(guān)需求的地方.以Gorge M. Whitesides 為主發(fā)展的軟刻蝕(softlithograph) 技術(shù)[68] 使用彈性模板為微圖案的轉(zhuǎn)移中介，包括了微接觸印刷、近場光刻蝕、納米壓印等. 彈性模板是軟刻蝕技術(shù)的核心元件，聚二甲基硅氧烷是優(yōu)良的制備材料，其具有彈性優(yōu)良和不與其他材料粘連的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)在曲面上制作圖案. 文獻(xiàn)[23]和文獻(xiàn)[39] 中的軟體機(jī)器人制造都采用了軟刻蝕方法.
3D 打印(3D printing) 也可稱為增材制造(additivemanufacturing, AM)，具有數(shù)字制造、直接制造、快速制造等優(yōu)點(diǎn). 目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化的工藝主要有光固化打印、選擇性激光燒結(jié)打印、熔融沉積打印.利用3D 打印已用于制造軟體機(jī)器人的軀體[40;69-70].Rossiter 等[71] 采用噴射打印方式，利用UV 光逐層照射固化聚丙烯酸樹脂得到一塊厚度約90 1m 的可驅(qū)動(dòng)的DE 薄膜. Carrico 等[72] 采用熔融沉積技術(shù)制造了IPMC 薄片(圖12)，并與商用IPMC 進(jìn)行了性能比較. Peele 等[73] 采用光固化技術(shù)制造了一個(gè)氣動(dòng)模塊.
5.關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)
表1 和表2 從驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)機(jī)理以及研發(fā)機(jī)構(gòu)所在地的角度歸納了多種已有的軟體機(jī)器人. 軟體機(jī)器人的研究目前尚處于起步階段，仍有很多難題需要去解決，包括能源供給、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模、動(dòng)作控制及通訊傳感等. 首先，軟體機(jī)器人具有極高的自由度，因此在建模與控制方面與傳統(tǒng)的機(jī)器人有所不同，難以實(shí)現(xiàn)精確建模與控制. 目前，在軟體機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模中，主要通過結(jié)構(gòu)功能分類進(jìn)行多體離散化，通過將實(shí)驗(yàn)與模型驗(yàn)證，并充分考慮控制對步態(tài)的影響，從而優(yōu)化機(jī)器人構(gòu)造，提升性能[74-76]. 開
圖12 熔融沉積技術(shù)制造IPMC[72]
發(fā)適用于軟體機(jī)器人大變形、高自由度等特點(diǎn)的控制策略及建模方法對其基礎(chǔ)研究及實(shí)際應(yīng)用非常關(guān)鍵. 其次，軟體機(jī)器人的進(jìn)步在很大程度上依賴高性能的智能軟材料制備及結(jié)構(gòu)成型. 需要研發(fā)高能量密度、高效率、可大變形驅(qū)動(dòng)、寬頻率驅(qū)動(dòng)并且易于成型的智能軟材料. 最后，研究開發(fā)面向軟體機(jī)器人應(yīng)用的能源供應(yīng)裝置也是其發(fā)展的關(guān)鍵. 例如氣動(dòng)式軟體機(jī)器人、電源以及氣源的質(zhì)量較大，影響了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng). 例如介電高彈體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，小型高壓電源的可靠性至關(guān)重要. 軟體機(jī)器人的電源要求延展性好、輕質(zhì)、可攜帶.
表1 各類軟體機(jī)器人按結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式及研究國家統(tǒng)計(jì)表(I)
表2 各類軟體機(jī)器人按結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動(dòng)方式及研究國家統(tǒng)計(jì)表(II)
6.展望
由于軟體機(jī)器人要求通訊、控制電路等可以承受大變形，因而柔性電子的許多研究成果可以大量應(yīng)用在軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)中，提升其性能. 而軟體機(jī)器人的研究同時(shí)也對柔性電子技術(shù)提出了新的應(yīng)用要求，并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域. 軟體機(jī)器人因?yàn)槠鋸?fù)雜的、軟體化的結(jié)構(gòu)特性，從而十分適合使用三維打印成型技術(shù)制備，同時(shí)也為三維打印成型技術(shù)提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域.
未來軟體機(jī)器人的研究及應(yīng)用，將利用到多個(gè)學(xué)科的前沿成果，以實(shí)現(xiàn)高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點(diǎn)；利用柔性電子、三維打印等結(jié)構(gòu)與成型技術(shù)，使其易于制造，從而廣泛應(yīng)用于各類工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域.
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