智東西（公眾號(hào)：zhidxcom）
編譯 | 周炎
編輯 | 云鵬
智東西3月24日消息，近日，《Science Advances》雜志刊登了北卡羅來納州立大學(xué)（North Carolina State University）研究人員的最新研究成果：一種受到毛毛蟲等軟體動(dòng)物啟發(fā)，而設(shè)計(jì)出的具有雙向運(yùn)動(dòng)的節(jié)能爬行機(jī)器人。
據(jù)悉，這個(gè)軟體爬行機(jī)器人通過在基于液晶彈性體（liquid crystal elastomer）的熱雙晶驅(qū)動(dòng)器（thermal bimorph actuator）中對(duì)分布式、可編程的納米銀線（AgNW）加熱器進(jìn)行焦耳加熱，最后實(shí)現(xiàn)前后運(yùn)動(dòng)。除此之外，研究人員還預(yù)測(cè)和優(yōu)化了機(jī)器人在熱刺激下的局部曲率；研究了爬行速度對(duì)雙向驅(qū)動(dòng)方式的影響；最后，研究人員證明了機(jī)器人具有通過有限間距障礙物的能力，可用于搜索和救援。
一、熱驅(qū)動(dòng)材料受熱模擬軟體動(dòng)物運(yùn)動(dòng)
軟體爬行機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)工程、手術(shù)輔助、感知技術(shù)等領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。一直以來，人們從動(dòng)物世界中獲得了很多靈感，也曾有將軟材料和軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)相結(jié)合的嘗試，例如，章魚、蛇、毛毛蟲等。這些動(dòng)物具有一些獨(dú)特的功能，包括多模態(tài)運(yùn)動(dòng)（multimodal locomotion）、通過狹窄的間隙、在復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)。
研究人員一直探索使用不同的刺激方法來驅(qū)動(dòng)軟體爬行機(jī)器人，包括壓力、熱力、電場(chǎng)作用、磁場(chǎng)等。在這些類型的刺激中，電刺激是最簡(jiǎn)單的一種，其中電活性聚合物（electrically stimulated actuators）被廣泛使用。對(duì)于電活性聚合物來說，離子激活（ionic activation）通常在電解質(zhì)環(huán)境中操作，而場(chǎng)激活需要高電壓，因此電活性聚合物這種方式的使用范圍受到限制。
另一種類型的電刺激制動(dòng)器——熱雙芯片致動(dòng)器，因?yàn)榫哂锌删幊滩僮?、重量輕、低驅(qū)動(dòng)電壓、無電解質(zhì)、無束縛操作等優(yōu)勢(shì)，所以引起了廣泛關(guān)注。
在不同的熱驅(qū)動(dòng)材料中，液晶彈性體作為一種結(jié)合了聚合物網(wǎng)絡(luò)（polymer network）和液晶介體（liquid crystal mesogens）的熱驅(qū)動(dòng)材料，因其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)大且可逆、可加工性高、可編程等獨(dú)特特性而備受關(guān)注。
隨著溫度的升高，液晶介體由列相（nematic phase）轉(zhuǎn)變?yōu)楦飨蛲韵啵╥sotropic），導(dǎo)致材料發(fā)生明顯的宏觀變形。已經(jīng)設(shè)計(jì)和制造的出來各種基于LCE的驅(qū)動(dòng)器，它們通常由環(huán)境加熱、光熱效應(yīng)（photothermal effects）和電熱驅(qū)動(dòng)器（eletrothemal actuation）驅(qū)動(dòng)。最近一項(xiàng)研究已經(jīng)成功地將可拉伸電阻加熱器（strechable resistive heaters）與液晶彈性體集成，以更好地控制電信號(hào)。
研究人員制造了一種具有多種運(yùn)動(dòng)模式的雙向軟體爬行機(jī)器人。它通過在基于液晶彈性體的熱雙晶驅(qū)動(dòng)器中對(duì)分布式、可編程的納米銀線加熱器進(jìn)行焦耳加熱實(shí)現(xiàn)。研究人員通過對(duì)已經(jīng)設(shè)計(jì)好的納米銀線加熱和可編程加熱等兩種方式，實(shí)現(xiàn)了不同的溫度分布和曲率分布。同時(shí)由于機(jī)器人加熱前后端與地面產(chǎn)生不同的摩擦，從而實(shí)現(xiàn)了雙向運(yùn)動(dòng)。
為了證明爬行機(jī)器人在潛在應(yīng)用中的功能，研究人員還描述了前進(jìn)和反向運(yùn)動(dòng)的性能，并測(cè)試了通過密閉間隙的場(chǎng)景。通過實(shí)踐和有限元分析，研究人員研究了爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式、爬行速度以及通過小間隙障礙物的能力。
二、珍珠母蛾的運(yùn)動(dòng)啟發(fā)出履帶式爬行機(jī)器人
在自然界中，珍珠母蛾（Pleurotya rural）是雙向運(yùn)動(dòng)的。在向前移動(dòng)的過程中，珍珠母蛾的幼蟲通常會(huì)固定住前端來向前移動(dòng)尾巴，做這個(gè)動(dòng)作的同時(shí)，幼蟲還會(huì)收縮后端的幾節(jié)，這就使得幼蟲背部產(chǎn)生一個(gè)典型的駝峰。隨后，幼蟲會(huì)在錨定終端尖端時(shí)釋放駝峰，然后，整個(gè)履帶（caterpillar）再次變平，而幼蟲向前移動(dòng)了一步。
在反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，幼蟲將末端固定在地面上，然后通過身體中部進(jìn)行有力的收縮。這種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了一個(gè)巨大的駝峰，拱起了整個(gè)身體。然后，當(dāng)幼蟲錨定前部時(shí)，釋放駝峰，再次變平并向后移動(dòng)一步。
實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是對(duì)身體曲率的控制，雖然幼蟲的運(yùn)動(dòng)學(xué)涉及對(duì)不同的身體部位進(jìn)行更復(fù)雜的主動(dòng)控制，但對(duì)于軟體爬行機(jī)器人來說，只需要控制身體局部的曲率就可以模仿像幼蟲一樣的雙向運(yùn)動(dòng)。
下面圖1C和D顯示了爬行機(jī)器人在不同加熱通道（或模式）加熱時(shí)的正向或反向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加熱關(guān)閉時(shí)，彎曲雙晶結(jié)構(gòu)（bent bimorph structure)的松弛會(huì)使執(zhí)行器向前后向后完成一個(gè)周期的運(yùn)動(dòng)。
圖1的E和F分別為通道1和通道2加熱時(shí)，執(zhí)行器對(duì)應(yīng)的紅外圖像和傾斜視圖。在圖1的C和D中，兩個(gè)內(nèi)電極和兩個(gè)外電極施加恒定電流導(dǎo)致正向或反向運(yùn)動(dòng)。
▲爬行動(dòng)物的啟發(fā)
圖2A展示了爬行機(jī)器人的制作過程。納米銀線因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和機(jī)器順應(yīng)性，已被廣泛地用作軟器件中的加熱材料。在這項(xiàng)工作中，研究人員使用納米銀線作為加熱元件，嵌入在聚二甲基硅氧烷（polydimathylsiloxane）基質(zhì)的表面下。
該爬行機(jī)器人是一種雙晶結(jié)構(gòu)，在液晶彈性體帶上粘合納米銀線、聚二甲基硅氧烷和炭黑（carbon black）等組成復(fù)合薄膜。納米銀線呈滲流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（percolation network structure），在聚二甲基硅氧烷中摻雜炭黑粉以提高導(dǎo)熱性，然后將二者滴在納米銀線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行固化。納米銀線網(wǎng)絡(luò)半嵌入在聚二甲基硅氧烷和炭黑的復(fù)合材料表面下。
值得注意的是，與純聚二甲基硅氧烷相比，質(zhì)量比為4：1的聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物的導(dǎo)熱系數(shù)提高了31%，但楊氏模量（Young’s modulus）沒有明顯變化。
當(dāng)電流施加到納米銀線網(wǎng)絡(luò)中，焦耳加熱產(chǎn)生的熱量傳遞到聚二甲基硅氧烷和炭黑的復(fù)合層以及液晶彈性體層。此時(shí)，半嵌入的銀納米線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)位于聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物表層以及液晶彈性體表層之上，這是因?yàn)榫鄱谆柩跬楹吞亢诨旌衔锉砻姹茹y納米線表面更能與液晶彈性體表面形成更強(qiáng)的鍵合。
當(dāng)溫度升高時(shí)，聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物由于熱膨脹作用膨脹起來，而液晶彈性體由于向列-各項(xiàng)同性轉(zhuǎn)變而收縮。
圖二C展示了爬行機(jī)器人的俯視圖。每個(gè)執(zhí)行器包含兩個(gè)導(dǎo)電通道（1和2）。通過設(shè)計(jì)好的納米銀線加熱模式，從而定制溫度分布，來實(shí)現(xiàn)爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。雙向運(yùn)動(dòng)的性能主要包括三個(gè)方面：加熱性能、摩擦力分析、以及電源振幅和頻率的影響。
▲履帶式爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造
從圖3可以看出，導(dǎo)電的納米銀線由兩個(gè)對(duì)稱部分組成，每個(gè)部分包含兩個(gè)截面。如圖3A所示，第1節(jié)均勻覆蓋寬為0.65mm的蛇形導(dǎo)電線，第二節(jié)由兩部分組成，每組包含一條寬度為0.65mm的蛇形線和一條平行的2.4mm的粗直線。
電路模型如圖3B所示，此研究中，圖3B中的R1、R21、R22，電阻分量分別為115.4、38.3、3.2歐姆。因此，通道1的電阻為193歐姆，通道2的電阻為121.8歐姆。為了展現(xiàn)爬行機(jī)器人的加熱和驅(qū)動(dòng)性能，研究人員對(duì)電流和納米銀線、聚二甲基硅氧烷、炭黑薄膜與液晶彈性體帶的雙層厚度比進(jìn)行了參數(shù)化研究。
圖3D顯示了在10-30mA的不同電流下，樣品的曲率隨時(shí)間的函數(shù)。隨著電流的增大，加熱時(shí)間由80s顯著下降到12s。當(dāng)樣品彎曲到圓形時(shí)，電源停止。
圖3E顯示了不同厚度比時(shí)的曲率變化隨時(shí)間的變化，在相同的外加電流和相同的加熱時(shí)間下，厚度比值為0.239時(shí)，彎曲曲率最大。
▲軟爬行機(jī)器人的加熱性能
圖4A中，左面是履帶機(jī)器人向前運(yùn)動(dòng)方式的快照。在快照2中，當(dāng)執(zhí)行器的通道1被激活時(shí)，執(zhí)行器A開始拱起，并引起左右端（fA和fB）的摩擦。由于弧形的不對(duì)稱性，假設(shè)fA在fB之前增大并達(dá)到滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則，那么就會(huì)出現(xiàn)左端向右滑動(dòng)，而左端保持靜止的情形。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，不對(duì)稱圓弧形的松弛導(dǎo)致摩擦力fA和fB同時(shí)切換方向，這次fB首先達(dá)到滑動(dòng)摩擦準(zhǔn)則，開始向右移動(dòng)，而此時(shí)左端被錨定，直至機(jī)器人回到最初的平坦?fàn)顟B(tài)。
圖4B中，左面顯示了執(zhí)行器A通道2被激活時(shí)執(zhí)行器的反向模式。在反向模式下，機(jī)器人的中間部分被抬起，使右端與地面之間的接觸面更小。這種與地面接觸面積的差異導(dǎo)致了相反的摩擦結(jié)果。
為了驗(yàn)證上述假設(shè)，研究人員使用完全的Abaqus環(huán)境進(jìn)行了有限元分析。該柔性履帶模型為雙層三維變形結(jié)構(gòu)（three-dimensional formable structure），地面模型為剛性表面（rigid surface）。研究人員通過將變形的爬行機(jī)器人進(jìn)行拖動(dòng)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了摩擦系數(shù)，同時(shí)發(fā)現(xiàn)，被劃定的加熱面積與實(shí)驗(yàn)中紅外圖像觀察到的相同，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在運(yùn)動(dòng)方向和相對(duì)平面外位移（locomotion direction and relative out-of-plane displacement）。
圖4C表明，fA<fB時(shí)，機(jī)器人向左端滑動(dòng)；當(dāng)fA的增量大于B時(shí)，導(dǎo)致機(jī)器人向右滑動(dòng)。圖4D是其反向模式，驅(qū)動(dòng)周期前半段fA>fB，而當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，fA在其余的驅(qū)動(dòng)周期中下降到fB以下。因此，反向模式顯示出與正向模式完全相反的運(yùn)動(dòng)方向。
▲履帶式機(jī)器人的兩種爬行模式
圖5展示了爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度與外加電流和驅(qū)動(dòng)頻率的關(guān)系。一般情況下，正反兩種模式的速度都隨著外加電流的增加而增加。但從速度與頻率的關(guān)系來看，運(yùn)動(dòng)速度隨著驅(qū)動(dòng)頻率的增加先增大后減小。當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)，頻率的進(jìn)一步增加使運(yùn)動(dòng)速度明顯降低，這是由于每個(gè)驅(qū)動(dòng)周期所需的最小加熱和冷卻時(shí)間。
▲爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度
最后，研究人員希望驗(yàn)證機(jī)器人通過狹小受限空間的能力。具體來講，研究人員設(shè)置一個(gè)高度僅為3mm,長(zhǎng)度為30mm的密閉隧道，在不受約束的情況下，爬行機(jī)器人的正向高度可達(dá)8.9mm,反向高度可達(dá)14.5mm。
▲爬行機(jī)器人通過間隙的演示
研究發(fā)現(xiàn)，在不同的驅(qū)動(dòng)下，熱驅(qū)動(dòng)的軟爬行機(jī)器人具有多步態(tài)能力，這與此前大多數(shù)報(bào)道的軟爬機(jī)器人不同。此前的軟爬行機(jī)器人既不能改變步態(tài)通過密閉空間，也不能雙向移動(dòng)。熱驅(qū)動(dòng)的軟爬行機(jī)器人這種在前進(jìn)和后退運(yùn)動(dòng)中通過密閉空間的能力在未來搜索和救援等許多應(yīng)用中具有很好的潛力。
結(jié)語：仿生機(jī)器人快速發(fā)展，未來應(yīng)用場(chǎng)景眾多
事實(shí)上，像軟體爬行機(jī)器人一樣，通過模仿自然界中生物的外部形狀、運(yùn)動(dòng)原理和行為方式，來從事生物特點(diǎn)工作的機(jī)器人還有很多。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，仿生機(jī)器人將會(huì)執(zhí)行更多樣化的任務(wù)，完成更人性化的動(dòng)作，控制水平也將更加精確化。
而當(dāng)使用場(chǎng)景更加明確后，仿生機(jī)器人會(huì)朝著更加仿生、更加微型化方向發(fā)展，以此來滿足多樣化的使用場(chǎng)景，就像這些軟體爬行機(jī)器人將來就可能運(yùn)用于搜索和救援任務(wù)，而又因?yàn)樗鼈冏銐蛐。梢蕴剿魉丫热腿祟悷o法進(jìn)入的地方。
來源：《Science Advances》
