蘇航 孫夏爽 史偉 陳發(fā)光

摘要：軟體機(jī)器人是一種新型機(jī)器人，由可承受大應(yīng)變的柔性材料構(gòu)成。其具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠根據(jù)周圍環(huán)境情況，在大范圍內(nèi)對自身的形狀做出改變，因此軟體機(jī)器人在軍事偵查、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。綜述軟體機(jī)器人的驅(qū)動方式、加工制造等問題。對軟體機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行分析總結(jié)，并對未來軟體機(jī)器人的發(fā)展趨勢進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：軟體機(jī)器人；驅(qū)動方式；加工制造；智能材料；

0 前言

機(jī)器人現(xiàn)如今廣泛存在于軍事、工廠、科學(xué)探索等領(lǐng)域，但傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人由于其采用剛性材料，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間適應(yīng)能力差、靈活度有限等問題，已不能滿足在狹小通道、受限空間等復(fù)雜環(huán)境中的要求，于是衍生了一門新興學(xué)科—軟體機(jī)器人。軟體機(jī)器人本體采用軟材料或柔性材料加工而成，可連續(xù)變形，從原理上具有無限自由度，自身良好的安全性和柔順性彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的不足[1] 。軟體機(jī)器人可以滿足軍事偵察隱蔽性的要求，對地震災(zāi)害、礦難等事故空間的不規(guī)則性有良好的適應(yīng)能力。

軟體機(jī)器人是仿生機(jī)器人的發(fā)展，其模型為自然界中的軟體動物。因?yàn)檐涹w機(jī)器人的無限自由度，所以它有無窮多種將末端執(zhí)行器達(dá)到指定位置的方法。由于對壓力的低阻抗，軟體機(jī)器人對環(huán)境具有更好的適應(yīng)性，通過被動變形實(shí)現(xiàn)與障礙物的相容；通過主動變形使機(jī)器人處于不同的形態(tài)并實(shí)現(xiàn)運(yùn)動；主動變形與被動變形相結(jié)合，機(jī)器人可以擠過比自身常態(tài)尺寸小的縫隙，進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)器人無法進(jìn)入的空間[2]。

1 研究現(xiàn)狀

1991年，日本東芝公司和橫濱國立大學(xué)發(fā)明了一種三通道纖維驅(qū)動器，在該驅(qū)動器作用下實(shí)現(xiàn)了拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲等動作，其在腿式移動機(jī)器人和工業(yè)抓取上得到了較好的應(yīng)用。2007年，日本岡山大學(xué)和大版大學(xué)合作研發(fā)出了蝠鲼機(jī)器人，該機(jī)器人利用纖維增強(qiáng)驅(qū)動器，通過控制兩個驅(qū)動器的彎曲實(shí)現(xiàn)在水里游動的動作。

2007年，美國國防部高級研究計(jì)劃局開始研究軟體機(jī)器人—Chembots，Chembots是一種采用軟體材料，在改變自身形狀和尺寸的條件下通過狹小縫隙，并且能夠帶有負(fù)荷完成一定動作。Chembots是化學(xué)、機(jī)器人學(xué)和材料學(xué)科交叉研制的結(jié)果。

2009年歐洲5個國家成立章魚項(xiàng)目組，旨在研究章魚傳感器機(jī)器驅(qū)動原理，對章魚的運(yùn)動從組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并模擬生物力學(xué)特性，提出了收縮橫向肌肉實(shí)現(xiàn)伸長，收縮軸向肌肉實(shí)現(xiàn)縮短，收縮外部和內(nèi)斜紋肌實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)功能。

2016年哈佛大學(xué)的研究者們研制成功了一種章魚形狀的全柔性機(jī)器人—Octobot。他采用了過氧化氫分解產(chǎn)生水和氧氣的化學(xué)反應(yīng)為裝置提供動力。氧氣通過內(nèi)嵌的微閥門，使得Octobot的腕足進(jìn)行交替擺動，從而實(shí)現(xiàn)了整體的運(yùn)動。

2 驅(qū)動方式

驅(qū)動器為軟體機(jī)器人的各部分行為提供動力，由于軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)大幅度的變形，所以對于驅(qū)動器提出了更高的要求，例如剛度可變、質(zhì)量輕等?，F(xiàn)如今軟體機(jī)器人的驅(qū)動方式可分為兩種：物理驅(qū)動以及化學(xué)驅(qū)動。

2.1物理驅(qū)動

物理驅(qū)動多利用材料的物理性質(zhì)來提供動力。常見的物理驅(qū)動器有形狀記憶合金（shape memory alloy， SMA）、電活性聚合物（Dielectric Electro Active Polymer，DEAP）、離子交換聚合金屬材料（ion-exchange polymer metal composite， IPMC）、氣動驅(qū)動器等。原理簡述如下。

形狀記憶合金是一種合金，它可以“記住”其原始形狀，且在加熱時，變形返回到其變形前的形狀。形狀記憶合金是通過熱彈性與馬氏體相變及其逆變而具有形狀記憶效應(yīng)，一般由兩種以上金屬元素所構(gòu)成。目前形狀記憶材料里形狀記憶性能最優(yōu)的當(dāng)屬形狀記憶合金。

電活性聚合物（EAP）是一類在電場激勵下可以產(chǎn)生大幅度尺寸或形狀變化的新型柔性功能材料，當(dāng)外界電激勵撤銷后，它又能恢復(fù)到原始的形狀和體積[3]。電活性聚合物分為電子型EAP和離子型EAP。電子型EAP驅(qū)動電壓高，限制了其應(yīng)用場合，離子型EAP需要潮濕環(huán)境，具有更為廣泛的應(yīng)用。

IPMC是一種合成復(fù)合納米材料。當(dāng)向電極施加電壓（電場）時，膜分子網(wǎng)絡(luò)中帶正電荷的共軛和水合陽離子被陽極排斥，并隨著它們向攜帶水合水分子的負(fù)電極或陰極遷移。這種遷移在膜上產(chǎn)生滲透壓力梯度，導(dǎo)致IPMC條帶以驚人的方式彎曲或變形。

氣動驅(qū)動器即采用氣泵的方式，通過高壓氣體為整個系統(tǒng)提供動力，該方式對環(huán)境沒有污染，但受限于氣泵的存在，應(yīng)用受到限制。

2.2化學(xué)驅(qū)動

化學(xué)驅(qū)動即采用化學(xué)反應(yīng)的方法為系統(tǒng)提供能量和動力。將物質(zhì)的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，驅(qū)動軟體機(jī)器人運(yùn)動。特別當(dāng)采用可逆反應(yīng)時，能夠?yàn)檠b置提供連續(xù)不斷的能量，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的長時間工作。Octobot機(jī)器人采用了過氧化氫分解出氧氣來提供動力的方法。也可以通過短時間內(nèi)劇烈的氧化反應(yīng)即爆炸方式提供大的沖量以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的跳躍的功能。哈佛大學(xué)Robert F. Shepherd等發(fā)明的三足軟體機(jī)器人利用電火花點(diǎn)燃甲烷產(chǎn)生的爆發(fā)力實(shí)現(xiàn)跳躍即采用此原理。

3 加工制造

區(qū)別于剛性機(jī)器人的加工方式，由于柔性材料的特殊性，傳統(tǒng)的加工制造方法于軟體機(jī)器人不再適用，需要新型的加工制造方法。軟體機(jī)器人的加工制造分為本體制造、可伸展電子電路制造等。

軟體機(jī)器人本體制造主要基于快速成型技術(shù)，包括形狀沉積法（shape deposition manufacturing，SDM）、熔融沉積成型、納米復(fù)合材料沉積、納米壓印、激光消融、微注射成型等[2]。

SDM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)將復(fù)雜材料的新型結(jié)構(gòu)制造出來。SDM技術(shù)可以將傳感器、柔性材料、剛性材料和電路集成在一起。斯坦福大學(xué)的馬克教授采用該方法，研制出了仿毛蟲軟體機(jī)器人。其工藝步驟為：沉積—去除—沉積—微加工—埋入元件—沉積—去除—移除基體。

可伸展電子電路因?yàn)橐浜宪涹w機(jī)器人形變，須具有伸長、彎曲、扭轉(zhuǎn)等要求，采用剛性電子元器件的方法無法適用于軟體機(jī)器人。故提出三種電路形式，一種是波紋狀結(jié)構(gòu)，即在原始狀態(tài)下具有足夠的冗余量以滿足變形需要。第二種是開環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，開環(huán)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)電路的伸展。第三種是將電解質(zhì)溶液注入制造時預(yù)留的通道，可以滿足大應(yīng)變的要求，但也應(yīng)注意到因大變形可能會出現(xiàn)的電解質(zhì)“斷流”現(xiàn)象。

4 總結(jié)與展望

軟體機(jī)器人現(xiàn)如今比較成熟的應(yīng)用領(lǐng)域是作為機(jī)器手，對于易破損、尺寸不規(guī)則的物體具有較好的保護(hù)和適應(yīng)能力。然而，由于其高柔順性，其承擔(dān)負(fù)載的能力限制了其應(yīng)用。現(xiàn)如今，國內(nèi)外的軟體機(jī)器人多在與結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動能源等方面進(jìn)行研究，對于如何將電子器件植入軟體機(jī)器人內(nèi)部、路徑規(guī)劃、控制、建模研究較少，這也是將來所需要進(jìn)行深入研究方向。未來軟體機(jī)器人的形式應(yīng)像人一樣，具有獨(dú)立獲取能源、控制、運(yùn)動等能力。不過軟體機(jī)器人作為一個新興的研究方向，任重而道遠(yuǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]王田苗，郝雨飛，楊興幫，文力.軟體機(jī)器人：結(jié)構(gòu)、驅(qū)動、傳感與控制[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2017，53（13）：1-13.

[2]曹玉君，尚建忠，梁科山，范大鵬，馬東璽，唐力.軟體機(jī)器人研究現(xiàn)狀綜述[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2012，48（03）：25-33.

[3]尤小丹，宋小波，陳峰.軟體機(jī)器人的分類與加工制造研究[J].自動化儀表，2014，35（08）：5-9.