软体机器人综述

软体机器人综述

0 前言

机器人现如今广泛存在于军事、工厂、科学探索等领域，但传统的刚性机器人由于其采用刚性材料，具有结构复杂、空间适应能力差、灵活度有限等问题，已不能满足在狭小通道、受限空间等复杂环境中的要求，于是衍生了一门新兴学科—软体机器人。软体机器人本体采用软材料或柔性材料加工而成，可连续变形，从原理上具有无限自由度，自身良好的安全性和柔顺性弥补了刚性机器人的不足。软体机器人可以满足军事侦察隐蔽性的要求，对地震灾害、矿难等事故空间的不规则性有良好的适应能力。

软体机器人是仿生机器人的发展，其模型为自然界中的软体动物。因为软体机器人的无限自由度，所以它有无穷多种将末端执行器达到指定位置的方法。由于对压力的低阻抗，软体机器人对环境具有更好的适应性，通过被动变形实现与障碍物的相容；通过主动变形使机器人处于不同的形态并实现运动；主动变形与被动变形相结合，机器人可以挤过比自身常态尺寸小的缝隙，进入传统机器人无法进入的空间。

1 研究现状

1991年，日本东芝公司和横滨国立大学发明了一种三通道纤维驱动器，在该驱动器作用下实现了拉压、扭转、弯曲等动作，其在腿式移动机器人和工业抓取上得到了较好的应用。2021年，日本冈山大学和大版大学合作研发出了蝠鲼机器人，该机器人利用纤维增强驱动器，通过控制两个驱动器的弯曲实现在水里游动的动作。

2021年，美国国防部高级研究计划局开始研究软体机器人—Chembots，Chembots是一种采用软体材料，在改变自身形状和尺寸的条件下通过狭小缝隙，并且能够带有负荷完成一定动作。Chembots 是化学、机器人学和材料学科交叉研制的结果。

2021年欧洲5个国家成立章鱼项目组，旨在研究章鱼传感器机

器驱动原理，对章鱼的运动从组织结构进行分析并模拟生物力学特性，提出了收缩横向肌肉实现伸长，收缩轴向肌肉实现缩短，收缩外部和内斜纹肌实现扭转功能。

2021年哈佛大学的研究者们研制成功了一种章鱼形状的全柔性机器人—Octobot。他采用了过氧化氢分解产生水和氧气的化学反应为装置提供动力。氧气通过内嵌的微阀门，使得Octobot的腕足进行交替摆动，从而实现了整体的运动。

2 驱动方式

驱动器为软体机器人的各部分行为提供动力，由于软体机器人可以实现大幅度的变形，所以对于驱动器提出了更高的要求，例如刚度可变、质量轻等。现如今软体机器人的驱动方式可分为两种：物理驱动以及化学驱动。

2.1物理驱动

物理驱动多利用材料的物理性质来提供动力。常见的物理驱动器有形状记忆合金（shape memory alloy，SMA）、电活性聚合物（Dielectric Electro Active Polymer，DEAP）、离子交换聚合金属材料（ion-exchange polymer metal composite，IPMC）、气动驱动器等。原理简述如下。

形状记忆合金是一种合金，它可以“记住”其原始形状，且在加热时，变形返回到其变形前的形状。形状记忆合金是通过热弹性与马氏体相变及其逆变而具有形状记忆效应，一般由两种以上金属元素所构成。目前形状记忆材料里形状记忆性能最优的当属形状记忆合金。

电活性聚合物（EAP）是一类在电场激励下可以产生大幅度尺寸或形状变化的新型柔性功能材料，当外界电激励撤销后，它又能恢复到原始的形状和体积。电活性聚合物分为电子型EAP和离子型EAP。电子型EAP驱动电压高，限制了其应用场合，离子型EAP需要潮湿环境，具有更为广泛的应用。

IPMC是一种合成复合纳米材料。当向电极施加电压（电场）时，膜分子网络中带正电荷的共轭和水合阳离子被阳极排斥，并随着它们

向携带水合水分子的负电极或阴极迁移。这种迁移在膜上产生渗透压力梯度，导致IPMC条带以惊人的方式弯曲或变形。

气动驱动器即采用气泵的方式，通过高压气体为整个系统提供动力，该方式对环境没有污染，但受限于气泵的存在，应用受到限制。

2.2化学驱动

化学驱动即采用化学反应的方法为系统提供能量和动力。将物质的化学能转化为机械能，驱动软体机器人运动。特别当采用可逆反应时，能够为装置提供连续不断的能量，从而实现机器人的长时间工作。Octobot机器人采用了过氧化氢分解出氧气来提供动力的方法。也可以通过短时间内剧烈的氧化反应即爆炸方式提供大的冲量以实现机器人的跳跃的功能。哈佛大学Robert F. Shepherd等发明的三足软体机器人利用电火花点燃甲烷产生的爆发力实现跳跃即采用此原理。

3 加工制造

区别于刚性机器人的加工方式，由于柔性材料的特殊性，传统的加工制造方法于软体机器人不再适用，需要新型的加工制造方法。软体机器人的加工制造分为本体制造、可伸展电子电路制造等。

软体机器人本体制造主要基于快速成型技术，包括形状沉积法（shape deposition manufacturing，SDM）、熔融沉积成型、纳米复合材料沉积、纳米压印、激光消融、微注射成型等。

SDM技术可以实现将复杂材料的新型结构制造出来。SDM技术可以将传感器、柔性材料、刚性材料和电路集成在一起。斯坦福大学的马克教授采用该方法，研制出了仿毛虫软体机器人。其工艺步骤为：沉积—去除—沉积—微加工—埋入元件—沉积—去除—移除基体。

可伸展电子电路因为要配合软体机器人形变，须具有伸长、弯曲、扭转等要求，采用刚性电子元器件的方法无法适用于软体机器人。故提出三种电路形式，一种是波纹状结构，即在原始状态下具有足够的冗余量以满足变形需要。第二种是开环网状结构，开环网状结构可以实现电路的伸展。第三种是将电解质溶液注入制造时预留的通道，可以满足大应变的要求，但也应注意到因大变形可能会出现的电解质

“断流”现象。

4 总结与展望

软体机器人现如今比较成熟的应用领域是作为机器手，对于易破损、尺寸不规则的物体具有较好的保护和适应能力。然而，由于其高柔顺性，其承担负载的能力限制了其应用。现如今，国内外的软体机器人多在与结构形式、驱动能源等方面进行研究，对于如何将电子器件植入软体机器人内部、路径规划、控制、建模研究较少，这也是将来所需要进行深入研究方向。未来软体机器人的形式应像人一样，具有独立获取能源、控制、运动等能力。不过软体机器人作为一个新兴的研究方向，任重而道远。

參考文献：

王田苗，郝雨飞，杨兴帮，文力.软体机器人：结构、驱动、传感与控制[J].机械工程学报，2017，53（13）：1-13.

曹玉君，尚建忠，梁科山，范大鹏，马东玺，唐力.软体机器人研究现状综述[J].机械工程学报，2012，48（03）：25-33.

尤小丹，宋小波，陈峰.软体机器人的分类与加工制造研究[J].自动化仪表，2014，35（08）：5-9.