楊 云,林澤寧,洪 陽(yáng),蔣 濤,尚建忠,羅自榮

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

隨著科技的發(fā)展,機(jī)器人與人類的生活緊密聯(lián)系在一起。剛性機(jī)器人已廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、生活服務(wù)、軍事偵察等領(lǐng)域[1-3],為人類的生產(chǎn)生活帶來(lái)極大的便利。然而,當(dāng)面臨狹窄彎曲的復(fù)雜環(huán)境時(shí),傳統(tǒng)剛性機(jī)器人受自身剛性結(jié)構(gòu)的制約無(wú)法完全發(fā)揮出其優(yōu)勢(shì)。此時(shí),大自然中的軟體動(dòng)物(如毛毛蟲、蛇等)給予科研人員啟發(fā),這些動(dòng)物憑借著其柔軟的身材可以輕松靈活地通過(guò)各種復(fù)雜環(huán)境。通過(guò)對(duì)這些動(dòng)物結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式的研究,軟體機(jī)器人便應(yīng)運(yùn)而生。

軟體機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的延續(xù),由柔性材料制成。它可以輕松改變形狀和尺寸[4],彌補(bǔ)了剛性機(jī)器人的不足,在生物醫(yī)療、應(yīng)急救援、管道檢修等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5]。我國(guó)軟體機(jī)器人的研究起步于20世紀(jì)90年代,上海交通大學(xué)馬建旭團(tuán)隊(duì)受蚯蚓啟發(fā)設(shè)計(jì)了用于狹窄管道檢修的機(jī)器人[6]。該機(jī)器人使用記憶金屬作為機(jī)器人的動(dòng)力源,模仿蚯蚓的蠕動(dòng)過(guò)程。該機(jī)器人的研究對(duì)我國(guó)軟體機(jī)器人的發(fā)展具有歷史性意義。

驅(qū)動(dòng)器作為軟體機(jī)器人的動(dòng)力轉(zhuǎn)換部件,是決定軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)性能的關(guān)鍵要素[7];能源作為軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力來(lái)源,是決定軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力的重要環(huán)節(jié)。因此,如何開發(fā)適合微型軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)器及其驅(qū)動(dòng)能源成為制造軟體機(jī)器人的關(guān)鍵點(diǎn)。通過(guò)對(duì)微型軟體機(jī)器人現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)器及能源類型進(jìn)行分析,其供能方式可分為:①物理能源驅(qū)動(dòng),如形狀記憶合金(shape memory alloy, SMA)驅(qū)動(dòng)[8-11]、介電彈性體(dielectric elastomer, DE)驅(qū)動(dòng)[12-16]、磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)[17-19];②化學(xué)能源驅(qū)動(dòng)[20-22],如過(guò)氧化氫分解驅(qū)動(dòng)[23-25];③生物混合驅(qū)動(dòng)[26-27],如心肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)[28-30]、骨骼肌細(xì)胞驅(qū)動(dòng)[31-33]。在此基礎(chǔ)上,本文首先對(duì)基于不同能量來(lái)源的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行歸納總結(jié)并闡述其基本驅(qū)動(dòng)機(jī)理;然后結(jié)合現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀,總結(jié)所述驅(qū)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)與不足;最后,對(duì)未來(lái)柔性驅(qū)動(dòng)發(fā)展提出思考,為未來(lái)微型軟體機(jī)器人的發(fā)展提供參考。

1 物理能源驅(qū)動(dòng)

物理能源包括光能、電能、磁能等,驅(qū)動(dòng)器將這些形式的能源轉(zhuǎn)化為供機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能。在此基礎(chǔ)上,研究人員相繼開發(fā)了四種驅(qū)動(dòng)方式:基于電能的介電彈性體驅(qū)動(dòng)和聚電解質(zhì)水凝膠驅(qū)動(dòng)、基于熱能的形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)和氣液相變驅(qū)動(dòng)、基于光能的液晶彈性體(liquid crystal elastomers,LCEs)驅(qū)動(dòng)和光響應(yīng)復(fù)合水凝膠驅(qū)動(dòng)、基于磁場(chǎng)的磁致驅(qū)動(dòng)。

1.1 電能驅(qū)動(dòng)

1.1.1 介電彈性體驅(qū)動(dòng)

DE作為一種智能材料,通過(guò)軟電介質(zhì)的變形將外部電勢(shì)提供的靜電能量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變能和機(jī)械功,具有響應(yīng)速度快、柔順性好、自由度和能量密度高的特點(diǎn)[34]。最簡(jiǎn)單的驅(qū)動(dòng)器配置類似于平行板電容器,由兩個(gè)導(dǎo)電剛性材料充當(dāng)極板,儲(chǔ)存靜電能;軟彈性體充當(dāng)介質(zhì),將攝入的能量大部轉(zhuǎn)化為機(jī)械應(yīng)變能。當(dāng)連接到電源時(shí),一個(gè)極板帶正電,另一個(gè)極板帶負(fù)電。相反的電荷相互吸引,通過(guò)彈性體產(chǎn)生凈庫(kù)侖引力,使其受到壓縮力,發(fā)生機(jī)械形變。

目前已有較多研究人員采用DE驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人,最經(jīng)典的是麻省理工學(xué)院Ren等[35]的工作。他們提出一種基于新型多層膜技術(shù)和電極材料優(yōu)化的低電壓、高耐久、高功率密度的DE,并將其集成到空中機(jī)器人上。該機(jī)器人展現(xiàn)了優(yōu)越的性能,當(dāng)它以400 Hz頻率工作時(shí),143 mg的DE可產(chǎn)生0.36 N的力和1.15 mm的位移。此外其懸停電壓低至500 V、驅(qū)動(dòng)循環(huán)次數(shù)超過(guò)200萬(wàn)次,是現(xiàn)有亞克級(jí)飛行機(jī)器人中飛行時(shí)間最長(zhǎng)、性能最好的機(jī)器人,如圖1(a)所示。在此之前,Li[36]等提出一種DE驅(qū)動(dòng)的滾動(dòng)式軟體機(jī)器人,如圖1(b)所示。他們將多段DE首尾相連形成圓形結(jié)構(gòu),機(jī)器人身體具備主動(dòng)變形的能力。在外加高壓控制系統(tǒng)的控制下,機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在平地上連續(xù)穩(wěn)定的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),平均速度可達(dá)36.27 mm/s、速質(zhì)比約為41.22 mm/(s·g),展現(xiàn)出優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能。

為了使軟體機(jī)器人更貼近于真實(shí)生物的運(yùn)動(dòng)形態(tài),研究人員從不同生物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理進(jìn)行機(jī)器人開發(fā)。受蠕蟲啟發(fā),新加坡國(guó)立大學(xué)曹家衛(wèi)等[37]設(shè)計(jì)了一種使用軟經(jīng)典驅(qū)動(dòng)器的無(wú)繩系軟體機(jī)器人。這種機(jī)器人同樣由DE制成,可變形身體、兩只紙質(zhì)腳構(gòu)成了它的主體。通過(guò)交替擴(kuò)張、收縮其可變形的身體,以及黏附、脫離它的兩只紙質(zhì)腳來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),在實(shí)驗(yàn)中跑出了0.02體長(zhǎng)/s的速度。同樣來(lái)源于仿生學(xué),哈爾濱工業(yè)大學(xué)郭亞光等[38]受毛毛蟲啟發(fā),制作了一款仿毛毛蟲機(jī)器人。該機(jī)器人由一個(gè)兩自由度DE驅(qū)動(dòng)器和兩個(gè)柔性電膠組合而成,能夠完成多模式轉(zhuǎn)彎、爬行和攀登等運(yùn)動(dòng)。

2022年,清華大學(xué)趙慧嬋團(tuán)隊(duì)提出了一種智能材料驅(qū)動(dòng)的管道檢測(cè)機(jī)器人[39]。該機(jī)器人采用高功率密度、長(zhǎng)壽命DE致動(dòng)器,使用基于智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的高效錨固單元作為傳動(dòng)裝置、具有可調(diào)節(jié)單元數(shù)的磁鐵作為快速組裝組件。利用電纜為機(jī)器人提供動(dòng)力,在亞厘米級(jí)管道內(nèi)實(shí)現(xiàn)了水平(1.19身長(zhǎng)/s)和豎直運(yùn)動(dòng)(1.08身長(zhǎng)/s)。

DE驅(qū)動(dòng)機(jī)器人雖然具有響應(yīng)速度快、能量密度高等突出優(yōu)勢(shì),但是驅(qū)動(dòng)電壓高、介質(zhì)易被擊穿、尾部仍然需要攜帶電纜等不足需要進(jìn)一步優(yōu)化和創(chuàng)新。

1.1.2 聚電解質(zhì)水凝膠驅(qū)動(dòng)

聚電解質(zhì)水凝膠是由具有帶電官能團(tuán)的聚合物網(wǎng)絡(luò)和可移動(dòng)的反離子組成的。當(dāng)向水凝膠施加電場(chǎng)時(shí),水介質(zhì)中的離子與聚電解質(zhì)水凝膠中的反離子同時(shí)向同一電極遷移,形成離子梯度。隨后,產(chǎn)生滲透壓導(dǎo)致聚電解質(zhì)水凝膠不對(duì)稱膨脹[40],從而產(chǎn)生伸縮、彎曲等力學(xué)響應(yīng)形式,為機(jī)器人提供驅(qū)動(dòng)力。形變幅度大、響應(yīng)時(shí)間短、材料柔軟等特性使得聚電解質(zhì)水凝膠非常適合于制造軟體機(jī)器人。

Pfeil等[41]使用基于聚丙烯酰胺的離子水凝膠,制作了一種能在水下執(zhí)行彎曲運(yùn)動(dòng)的仿生“魚”,如圖2所示。使外部電極與周圍的水直接接觸,從而驅(qū)動(dòng)鰭末端產(chǎn)生起伏的波浪作為可能的推進(jìn)方法。這其中最具優(yōu)勢(shì)的是利用水本身傳輸電荷。為解決驅(qū)動(dòng)電壓高的問(wèn)題, Sun等[42]將碳納米管(carbon nano tube, CNT)富集在聚乙烯-醋酸乙烯酯(ethylene vinyl acetate,EVA)以形成高密度導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò),結(jié)合電學(xué)特性和形狀記憶效應(yīng),提供了一種制造低壓驅(qū)動(dòng)聚合物致動(dòng)器的方法。

圖2 離子水凝膠軟體機(jī)器人[41]Fig.2 The ionized hydrogel soft robot[41]

聚電解質(zhì)水凝膠材料本身具備的柔軟性在軟體機(jī)器人領(lǐng)域具有極大的優(yōu)勢(shì),但是材料本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足以支持其承受較大的拉伸載荷,此外其十分依賴于外界輸入的電能。因此這類軟體機(jī)器人大多在水環(huán)境中使用。

1.2 熱能驅(qū)動(dòng)

溫度梯度的改變,會(huì)造成智能材料形狀的改變,也會(huì)使低沸點(diǎn)液體發(fā)生液-氣相變,并伴隨有體積的變化。形狀記憶合金受熱時(shí)能夠恢復(fù)原狀、盛有易揮發(fā)液體的彈性球體受熱會(huì)膨脹,由此為機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供了動(dòng)力。

1.2.1 形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)

SMA是一種具有形狀記憶效應(yīng)的智能材料[43],其驅(qū)動(dòng)原理為當(dāng)處于冷卻或存在力載荷時(shí),其從高溫馬氏體轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏伛R氏體,原始形狀被破壞而發(fā)生形變;當(dāng)處于加熱狀態(tài)時(shí),其恢復(fù)初始形狀,對(duì)外輸出力和位移。

Coral等[44]受黑鱈魚啟發(fā),制作了一種水下仿魚機(jī)器人,魚身由3D打印而成,驅(qū)動(dòng)器由可變形結(jié)構(gòu)和基于形狀記憶合金絲的直線“肌肉”組成,并在靜水中展開實(shí)驗(yàn),在PID控制器的作用下,輸出運(yùn)動(dòng)與期望運(yùn)動(dòng)基本吻合。與之類似, Basilio Sobrinho等[45]設(shè)計(jì)了一種鎳鈦SMA微型彈簧驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。電機(jī)結(jié)構(gòu)使用聚合物材料3D打印而成,進(jìn)行了有電驅(qū)動(dòng)和無(wú)電驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試,獲得良好的扭矩/體積比。更典型的是Park等[46]提出了一種新型SMA彈力型織物肌肉(spring-based fabric muscle, SFM),SFM受熱時(shí)收縮,在加熱溫度為70 ℃時(shí)能產(chǎn)生100 N的力,收縮應(yīng)變可達(dá)50%。

此外,針對(duì)在復(fù)雜、狹窄的非結(jié)構(gòu)化地形下跳躍機(jī)器人存在的著陸穩(wěn)定性和運(yùn)動(dòng)連續(xù)性的問(wèn)題,南京航空航天大學(xué)毛婷等[47]提出了一種SMA材料驅(qū)動(dòng)的柔性跳躍機(jī)器人,它具有輕質(zhì)小型、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及連續(xù)運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。依托尺寸為6 cm×4 cm×2.5 cm、質(zhì)量為3.8 g的原理樣機(jī)實(shí)現(xiàn)跳躍觸發(fā)和形態(tài)恢復(fù),實(shí)驗(yàn)測(cè)得最大跳躍高度和遠(yuǎn)度分別為8.67 cm和18 cm,展現(xiàn)了優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)性能。

2021年, Bena等[48]開發(fā)了一種基于SMA的彎曲微致動(dòng)器,并在此基礎(chǔ)上制作了毫克級(jí)爬行機(jī)器人SAMLLBug。該機(jī)器人尺寸小(長(zhǎng)度為13 mm)、質(zhì)量小(質(zhì)量為30 mg)、運(yùn)動(dòng)性能優(yōu)越(平均運(yùn)動(dòng)速度17 mm/s)。然而該機(jī)器人只有一個(gè)執(zhí)行器,缺乏閉環(huán)轉(zhuǎn)向控制能力。因此SMA旅行昆蟲機(jī)器人(SMARTI)應(yīng)運(yùn)而生,如圖3所示。SMARTI質(zhì)量為60 mg,通過(guò)平行配置兩個(gè)SMA致動(dòng)器來(lái)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)模塊。這兩個(gè)模塊使用受控的差動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置來(lái)推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)和改變航向。實(shí)驗(yàn)中,SMARTI最大持續(xù)速度為46 mm/s,相當(dāng)于3.54體長(zhǎng)/s,轉(zhuǎn)彎速度為107 (°)/s,這種速度和機(jī)動(dòng)性的結(jié)合是無(wú)與倫比的。得益于優(yōu)異的特性,SMARTI成為迄今為止開發(fā)的最輕、最小、最快的可操縱和可控制的爬行機(jī)器人之一。

圖3 SMA旅行昆蟲機(jī)器人SMARTI[48]Fig.3 SMA robotic traveling insect SMARTI[48]

SMA作為一種具有形狀記憶效應(yīng)的智能材料,在軟體機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用不勝枚舉,但隨著加載次數(shù)的增加,會(huì)出現(xiàn)滯后損耗和疲勞裂紋。這些缺陷限制了它的使用壽命[49],同時(shí)也存在溫度控制難度高、驅(qū)動(dòng)頻率低等缺陷。

1.2.2 氣液相變驅(qū)動(dòng)

所謂氣液相變驅(qū)動(dòng)就是利用揮發(fā)性物質(zhì)隨著溫度變化而發(fā)生相變時(shí),容腔的體積改變?yōu)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力。溫度升高時(shí),液體揮發(fā)容腔內(nèi)壓力增大,容腔開始膨脹;溫度降低時(shí),氣體液化容腔內(nèi)壓力降低,容腔開始收縮。

Matsumoto等[50]設(shè)計(jì)了一種氣液相變驅(qū)動(dòng)全軟機(jī)器人,如圖4所示。他們選用交聯(lián)型硅橡膠和天然橡膠分別制作成機(jī)器人本體和氣球,NovecTM7000(沸點(diǎn)34 ℃)、NovecTM7100(沸點(diǎn)61 ℃)充當(dāng)揮發(fā)性物質(zhì)。布設(shè)在機(jī)器人本體四周的4個(gè)氣球,與地面交替接觸吸收熱量而膨脹,從而推動(dòng)機(jī)器人滾動(dòng)。分別在氣球中裝填NovecTM7000、NovecTM7100兩種揮發(fā)性液體,并在室溫條件下(24 ℃)開始加熱,使機(jī)器人旋轉(zhuǎn)一周,前者用時(shí)290 s,后者用時(shí)430 s。此型機(jī)器人以柔性材料為基礎(chǔ),利用外部熱能驅(qū)動(dòng)液氣相變,實(shí)現(xiàn)了全柔性移動(dòng)。

圖4 氣液相變驅(qū)動(dòng)全軟機(jī)器人[50]Fig.4 Gas-liquid variable drived fully soft robot [50]

為解決傳統(tǒng)機(jī)器人功耗和噪聲大的缺點(diǎn),西安交通大學(xué)張鴻健等[51]受河鲀啟發(fā)設(shè)計(jì)了由柔性硅橡膠材料制成的氣液相變驅(qū)動(dòng)的柔性水下懸停機(jī)器人。該方法與Matsumoto團(tuán)隊(duì)低沸點(diǎn)驅(qū)動(dòng)液體相似,通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)溫度使液體沸騰發(fā)生液氣相變從而改變機(jī)器人的體積。利用體積的變化來(lái)控制浮力,最后達(dá)到通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)溫度即可對(duì)機(jī)器人的上下浮動(dòng)和懸停加以控制的目的。

氣液相變驅(qū)動(dòng)雖然在功耗和噪聲控制方面表現(xiàn)較佳,但是氣液相變時(shí)存在較長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間,機(jī)器人的實(shí)時(shí)操作性不好。此外,運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景受制于溫度梯度。

1.3 光能驅(qū)動(dòng)

1.3.1 液晶彈性體驅(qū)動(dòng)

LCEs的物理性質(zhì)介于有序結(jié)晶固體和各向同性液體之間。它能將外界給予的光能轉(zhuǎn)化為熱,并通過(guò)聚合物消散。LCEs受熱時(shí)向各向同性相轉(zhuǎn)變,破壞了聚合物網(wǎng)絡(luò)的各向異性,這種相變導(dǎo)致沿列向高達(dá)400%的單軸收縮;冷卻后恢復(fù)到其初始形狀,實(shí)現(xiàn)了由光能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變[52]。

華中科技大學(xué)王云明等[53]報(bào)告了一種高靈敏度的光控軟機(jī)器人,如圖5所示,該機(jī)器人采用由LCEs、高彈性形態(tài)穩(wěn)定相變聚合物(high elastic form-stable phase change polymer,HEPCP)和多壁碳納米管(multiwalled carbon nanotubes,MWCNTs)合成的光響應(yīng)納米復(fù)合材料LHM(LCE/HEPCP/MWCNT),在近紅外光刺激下,LHM軟機(jī)器人通過(guò)產(chǎn)生可恢復(fù)的變形來(lái)執(zhí)行包括直行、扭轉(zhuǎn)和彎曲在內(nèi)的任務(wù)。此外, Shahsavan等[54]使用極軟、光敏、低致動(dòng)溫度的液晶材料擴(kuò)展了液晶材料的靈活性,模仿海底無(wú)脊椎動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)模式,為開發(fā)在充滿液體的環(huán)境中具有移動(dòng)能力的無(wú)繩索軟機(jī)器人提供了一種方法。

圖5 高靈敏度光控軟機(jī)器人[53]Fig.5 High sensitivity light controlled soft robot[53]

LCEs具有優(yōu)異的力學(xué)性能、良好的柔韌性、各向異性以及可逆的形狀響應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)。但是,由于LCEs的熱致性特征,很難實(shí)現(xiàn)多刺激響應(yīng)和遠(yuǎn)程控制。隨著新型LCE材料、先進(jìn)微/納米制造技術(shù)、新穎的動(dòng)作方案和復(fù)雜的操作策略的進(jìn)步,基于LCE的執(zhí)行器在不久的將來(lái)可能實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展并找到更多的前沿應(yīng)用[55]。

1.3.2 光響應(yīng)復(fù)合水凝膠驅(qū)動(dòng)

光響應(yīng)型水凝膠在非接觸式光的照射下,其體積會(huì)發(fā)生變化,表現(xiàn)為對(duì)外做功。常見的水凝膠的光響應(yīng)性通過(guò)以下兩種策略實(shí)現(xiàn):①特定基序的光致異構(gòu)化以改變凝膠基質(zhì)的性質(zhì),如荷電狀態(tài)、親水性或交聯(lián)度;②水凝膠的光熱效應(yīng)和溫度介導(dǎo)的體積轉(zhuǎn)變的級(jí)聯(lián)耦合。

Wang等[56]結(jié)合光刻聚合和熱聚合,在無(wú)響應(yīng)的凝膠中嵌入空間分布的熱響應(yīng)性和光響應(yīng)性凝膠來(lái)制備復(fù)合水凝膠。該復(fù)合水凝膠在加熱或近紅外光照射下做出彎曲、折疊和扭曲變形三個(gè)動(dòng)作,從而導(dǎo)致凝膠體積的收縮以造成內(nèi)應(yīng)力的積累。由于光在空間和時(shí)間上存在極高的分辨率,該型復(fù)合水凝膠實(shí)現(xiàn)了局部驅(qū)動(dòng)和分步變形。通過(guò)特殊結(jié)構(gòu)將彎曲、折疊和扭轉(zhuǎn)變形整合到同一復(fù)合水凝膠中,即可通過(guò)光編程變形獲得更復(fù)雜的構(gòu)型。

基于相似的思路, Yin等[57]制備了一種對(duì)可見光快速響應(yīng)的高性能復(fù)合水凝膠。在可見光照射下,當(dāng)碳納米管的質(zhì)量濃度為3 mg/mL時(shí),條狀水凝膠的最大彎曲角速度可達(dá)65.72 (°)/s?；诖?制作了一種可以模擬水母游泳的微型軟機(jī)器人JMSR,如圖6所示。該機(jī)器人不但能夠在水中模擬水母游動(dòng),還能行走、跳躍、搬運(yùn)微小物體。這些復(fù)雜動(dòng)作通過(guò)改變光源的頻率和光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖6 JMSR仿水母機(jī)器人[57]Fig.6 Robot JMSR modelled on the jellyfish[57]

光響應(yīng)復(fù)合水凝膠本身就是柔性軟體材料,由此制作的機(jī)器人柔順性與生俱來(lái),但是這種水凝膠材料組成復(fù)雜,刺激響應(yīng)速度較慢、運(yùn)動(dòng)控制難度大。

1.4 磁場(chǎng)能驅(qū)動(dòng)

經(jīng)典的磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)就是利用變換的磁場(chǎng)對(duì)磁性結(jié)構(gòu)進(jìn)行無(wú)接觸驅(qū)動(dòng),是研究較多、效果較好的一類驅(qū)動(dòng)技術(shù)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)被用來(lái)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),而振蕩或波動(dòng)運(yùn)動(dòng)是由交變磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。

Kim等[58]提出一種基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)內(nèi)柔性磁致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)的魚形磁性微型機(jī)器人,由主體、兩個(gè)胸鰭和一個(gè)尾鰭組成。尾鰭的主要功能是為游泳提供動(dòng)力,而胸鰭根據(jù)尾鰭的搖擺和俯仰運(yùn)動(dòng)提供轉(zhuǎn)向功能。這種機(jī)器人利用基于磁鐵的致動(dòng)器和外加磁場(chǎng)工作,采用無(wú)線控制策略,并且不需要電池供能。同樣源于仿生學(xué),北京化工大學(xué)劉趙龍[59]模仿蠶和尺蠖,設(shè)計(jì)了電磁致動(dòng)軟體機(jī)器人,使用內(nèi)置鎳氫電池供電,可進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控,實(shí)現(xiàn)了“無(wú)尾化”。而廣州大學(xué)祝韜[60]則以心血管疾病微創(chuàng)手術(shù)需求為切入點(diǎn),提出一種使用三軸亥姆霍茲線圈作為磁驅(qū)動(dòng)模塊的內(nèi)螺旋血管機(jī)器人,為解決病患治療安全性提供技術(shù)支持。

水母總能給予科研人員無(wú)窮的靈感, Ren等[61]提出一種無(wú)系留毫米級(jí)軟體機(jī)器人,如圖7所示。該機(jī)器人由磁性復(fù)合彈性體和八根拉桿組成。在遠(yuǎn)程振蕩磁場(chǎng)作用下拉桿彎曲變形,促使其身體周圍流體產(chǎn)生不同的受控流動(dòng),進(jìn)而推動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)5種不同游泳模式。最突出之處在于通過(guò)操縱機(jī)器人周圍流體的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能。而利用流體流動(dòng)實(shí)現(xiàn)多種功能的能力與磁場(chǎng)無(wú)關(guān),只依賴于機(jī)器人主體和流體之間的相互作用。

以磁場(chǎng)為驅(qū)動(dòng)源,可以通過(guò)改變磁場(chǎng)的方向、強(qiáng)度、頻率等對(duì)機(jī)器人實(shí)施粗略的控制,但對(duì)于精確的軌跡控制還缺乏相關(guān)的研究。

2 化學(xué)能源驅(qū)動(dòng)

化學(xué)能源驅(qū)動(dòng),就是利用化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中釋放的能量或釋放的氣體來(lái)產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)。這種驅(qū)動(dòng)克服了能量需要外界供給的缺點(diǎn),擴(kuò)大了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)范圍。

過(guò)氧化氫是一種高能量密度的化學(xué)物質(zhì),分解過(guò)程中產(chǎn)生大量的氧氣。一方面可以利用氧氣直接驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng);另一方面產(chǎn)生的氧氣可以改變機(jī)器人的內(nèi)部壓強(qiáng),從而改變體積或重心,使機(jī)器人浮動(dòng)或者滾動(dòng)。

最經(jīng)典的設(shè)計(jì)當(dāng)屬Wehner[62]團(tuán)隊(duì)的工作,他們以過(guò)氧化氫為燃料,研發(fā)了第一款全軟體氣動(dòng)機(jī)器人,完全突破了剛性控制系統(tǒng)與電源的限制,如圖8所示。該機(jī)器人使用嵌入式3D打印技術(shù)在彈性體機(jī)器人體內(nèi)制造氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)致動(dòng)器、燃料箱和催化反應(yīng)室。使用微流控邏輯控制過(guò)氧化氫溶液的流動(dòng),當(dāng)過(guò)氧化氫溶液流至反應(yīng)室時(shí),在鉑催化劑的作用下分解得到氧氣。通過(guò)利用氧氣的存儲(chǔ)與排放,帶動(dòng)機(jī)器人的爪彎曲變形,最終達(dá)到驅(qū)動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的。這其中3D打印技術(shù)的應(yīng)用和集成設(shè)計(jì)思想的引入,使得章魚機(jī)器人能進(jìn)行快速可編程組裝。在此之后的2019年,哈爾濱工業(yè)大學(xué)李隆球等[63]設(shè)計(jì)了一種化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)的仿生魚,通過(guò)使用微控制器對(duì)5級(jí)反應(yīng)池內(nèi)過(guò)氧化氫分解反應(yīng)的控制,產(chǎn)生氣泡推動(dòng)仿生魚在水中柔性前進(jìn)。更具優(yōu)勢(shì)的是,它的主體部分采用水凝膠材料3D打印而成,能快速規(guī)?；a(chǎn),兼具隱身性。

圖8 全軟體氣動(dòng)機(jī)器人[62]Fig.8 Fully soft pneumatic robot[62]

與之不同的是北京化工大學(xué)何雪濤等[64]設(shè)計(jì)了一種化學(xué)反應(yīng)自驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)機(jī)器人,該機(jī)器人由6個(gè)裝有二氧化錳催化劑的腔室組成,相鄰艙室之間使用單向閥連通,選擇3個(gè)不相鄰的艙室安裝重力閥。向其中注入過(guò)氧化氫后,發(fā)生分解反應(yīng),導(dǎo)致氣壓升高,進(jìn)而推動(dòng)過(guò)氧化氫單向流動(dòng),使重心偏移而發(fā)生滾動(dòng)。

在微米尺度下,同樣有較好的發(fā)展,哈爾濱工業(yè)大學(xué)賀強(qiáng)[65]教授團(tuán)隊(duì)研制出一種自驅(qū)動(dòng)雙面聚電解質(zhì)多層空心膠囊,該膠囊可作為馬達(dá)提供動(dòng)力。溫度為22 ℃的條件下,利用鉑納米粒子(platinum nanoparticles, PtNPs)催化過(guò)氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣來(lái)提供動(dòng)力,運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)70 μm/s,每秒運(yùn)動(dòng)的距離超過(guò)自身體長(zhǎng)的6倍。

基于化學(xué)能源的驅(qū)動(dòng)在一定程度上改進(jìn)了傳統(tǒng)電機(jī)的不足,微小空間內(nèi)極具優(yōu)勢(shì),但由于化學(xué)物質(zhì)本身的性質(zhì)限制,這類機(jī)器人的環(huán)境適應(yīng)性有待提高。

3 生物混合驅(qū)動(dòng)

在自然界中,生物體表現(xiàn)出靈活的運(yùn)動(dòng)性能,是各種仿生機(jī)器人的靈感來(lái)源。隨著技術(shù)的進(jìn)步,使用具有活性的生物肌肉作為驅(qū)動(dòng)器,逐漸走進(jìn)我們的視野。它的驅(qū)動(dòng)原理是利用肌肉組織受刺激條件下的收縮來(lái)驅(qū)動(dòng)。

2018年,Morimoto等[31]設(shè)計(jì)了一種由一對(duì)拮抗性骨骼肌組織驅(qū)動(dòng)的生物機(jī)器人,如圖9所示。該機(jī)器人在50 Hz電刺激的作用下,通過(guò)肌肉的選擇性收縮使拮抗組織的張力平衡,以防止自發(fā)收縮,由此產(chǎn)生約90°旋轉(zhuǎn),并可實(shí)現(xiàn)抓取、放置操作?；诖?Takeuchi[66]團(tuán)隊(duì)在2020年開發(fā)出一種能夠在空氣中運(yùn)動(dòng)的生物機(jī)器人,突破了培養(yǎng)基的限制,如圖10所示。該機(jī)器人將骨骼肌組織和柔性基底材料包裹在膠原結(jié)構(gòu)中,以保持較高的細(xì)胞活性和收縮性。在電刺激的作用下,能夠在空氣中實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng),采用培養(yǎng)液灌流的情況下,能夠連續(xù)運(yùn)動(dòng)1 h。

圖9 拮抗性骨骼肌驅(qū)動(dòng)生物機(jī)器人[31]Fig.9 The antagonistic skeletal muscle driven biorobot[31]

圖10 能在空氣中運(yùn)動(dòng)的生物混合機(jī)器人[66]Fig.10 Airborne locomotor bio-hybrid robot[66]

同樣在2020年,在生物混合機(jī)器人領(lǐng)域深耕多年的東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦[28]教授團(tuán)隊(duì)成功制作了仿毛毛蟲機(jī)器人。在碳納米管水凝膠上二次聚合形成結(jié)構(gòu)顏色水凝膠。當(dāng)毛毛蟲機(jī)器人肌肉收縮時(shí),能夠帶動(dòng)水凝膠結(jié)構(gòu)顏色發(fā)生可逆的變化,由此可以動(dòng)態(tài)地即時(shí)反應(yīng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并且,在弱磁場(chǎng)作用下,機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)自主性定向運(yùn)動(dòng),很好地模擬毛毛蟲爬行行為。

2022年初,Parker[67]教授團(tuán)隊(duì)使用大鼠原代心肌細(xì)胞制作了一條帶有自主起搏點(diǎn)的自主游動(dòng)“魚”。這條“魚”使用水凝膠材料制成軀干和鰭,在尾部設(shè)置特殊結(jié)構(gòu)容納心肌細(xì)胞。該“魚”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,一共5層結(jié)構(gòu),兩邊由對(duì)稱的肌肉細(xì)胞所組成,質(zhì)量只有25 mg,總共使用73 000個(gè)活體心肌細(xì)胞,在108 d的生命周期中,兩層肌肉和自主起搏節(jié)點(diǎn)一起產(chǎn)生連續(xù)、自發(fā)和協(xié)調(diào)的來(lái)回鰭運(yùn)動(dòng)。

作為最接近真實(shí)生物體的一類機(jī)器人,生物混合機(jī)器人具有極高的能量利用率和生物相容性,在醫(yī)療領(lǐng)域的前途不可限量,但是這類機(jī)器人只能生活在特定的培養(yǎng)液中,離真實(shí)的生物體還有較大的差距,此外還可能存在倫理問(wèn)題。

4 討論

為使研究人員更明了地了解微型軟體機(jī)器人的特點(diǎn),從能量來(lái)源、功率密度、響應(yīng)速度、能量效率等方面對(duì)上述部分驅(qū)動(dòng)方式作了簡(jiǎn)要的歸納總結(jié),如表1所示。介電彈性體驅(qū)動(dòng)在響應(yīng)速度、能量效率方面具有突出優(yōu)勢(shì),但其在使用中,動(dòng)輒需要幾千伏的驅(qū)動(dòng)電壓,需要大量的能源輸入的同時(shí),高電壓的存在會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)容易被擊穿從而造成損壞;形狀記憶合金能量密度相對(duì)較高,但響應(yīng)速度較慢,難以適應(yīng)一些需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合?；瘜W(xué)能源驅(qū)動(dòng)有效解決了傳統(tǒng)機(jī)器人噪聲大的問(wèn)題,同時(shí)過(guò)氧化氫分解產(chǎn)物為水和氧氣,清潔綠色環(huán)保,因此不失為有效的驅(qū)動(dòng)手段。作為生物體能源的葡萄糖具有最高的能量密度,與此同時(shí)生物肌肉對(duì)能量的利用效率也最高。綜合而言,生物混合驅(qū)動(dòng)是最優(yōu)的驅(qū)動(dòng)方式。

表1 部分驅(qū)動(dòng)方式性能對(duì)比

微型軟體機(jī)器人在管道檢修、災(zāi)后探測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有較大的潛力,但是受驅(qū)動(dòng)能源與技術(shù)的限制,在運(yùn)動(dòng)能力、控制精度、響應(yīng)速度等方面還有很大的提升空間。物理能源驅(qū)動(dòng)高度依賴外界能量的輸入,且對(duì)外界物理勢(shì)場(chǎng)具有較高要求,間接增加了成本,并限制了其應(yīng)用范圍;化學(xué)能源驅(qū)動(dòng)依賴釋放氣體來(lái)工作,控制精度較差;生物混合驅(qū)動(dòng)以肌肉組織作為驅(qū)動(dòng),單元壽命短、組織培養(yǎng)困難。對(duì)此提出以下研究思路:

1)創(chuàng)新機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想。將介電彈性體、磁流變液等智能材料與橡膠等軟材料相結(jié)合,使設(shè)計(jì)的機(jī)器人剛?cè)岵?jì)、剛度可調(diào),既保證了軟體機(jī)器人柔順的特性,在特殊條件下還可以通過(guò)提高智能材料的剛度增強(qiáng)其負(fù)載能力。

2)采用多種驅(qū)動(dòng)方式。在機(jī)器人完成任務(wù)過(guò)程中,根據(jù)任務(wù)環(huán)境自主選擇合適的驅(qū)動(dòng)方式,以提高機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)中的效率。通過(guò)深入研究獵豹、野兔等野生動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)制和反應(yīng)機(jī)制,為高速運(yùn)動(dòng)軟體機(jī)器人的誕生提供依據(jù)。

3)為克服上述驅(qū)動(dòng)能源存在的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)出一種能夠同時(shí)利用多種能源工作的新型驅(qū)動(dòng)器,提高冗余自由度。當(dāng)前的機(jī)器人大多只是使用單一能源工作,可以考慮使用多種能源以適應(yīng)機(jī)器人多任務(wù)、多載荷的特點(diǎn)。此外,還可研究生物體從物質(zhì)到能量的轉(zhuǎn)化機(jī)制,模擬生物體決策分配體系,將葡萄糖等高能量密度物質(zhì)開發(fā)為軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)能源。

4)突破仿生范疇,以真實(shí)生物肌肉驅(qū)動(dòng)為目標(biāo),結(jié)合生物技術(shù)培養(yǎng)人工肌肉組織或直接從動(dòng)物體解剖肌肉組織用于驅(qū)動(dòng)。同時(shí)還可以結(jié)合生物3D打印技術(shù),直接構(gòu)建出具有真實(shí)生物組織特征的模型,使之具有人造“血管”、人造“心臟”,實(shí)現(xiàn)養(yǎng)料的自主供應(yīng)與循環(huán),同時(shí)廢物通過(guò)運(yùn)送機(jī)制及時(shí)排除。這其中需要突破細(xì)胞長(zhǎng)時(shí)間體外培養(yǎng)、刺激信號(hào)傳遞與工作機(jī)制等關(guān)鍵技術(shù),最終創(chuàng)造出為人類社會(huì)服務(wù)的生物混合機(jī)器人。

5 總結(jié)

從物理能源驅(qū)動(dòng)、化學(xué)能源驅(qū)動(dòng)、生物混合驅(qū)動(dòng)三個(gè)大方向入手,綜述了基于上述能源的典型驅(qū)動(dòng)方式,并總結(jié)了各自的優(yōu)缺點(diǎn)。作為仿生機(jī)器人的重要分支,得益于機(jī)械、電子、控制、材料等多個(gè)學(xué)科的交叉融合,在近年來(lái)微型軟體機(jī)器人的研究取得很大的進(jìn)展。

未來(lái)在材料、能源、機(jī)械等領(lǐng)域的深度融合之后,微型軟體機(jī)器人高柔性、大變形、抗疲勞的特點(diǎn)會(huì)更加突出。而引入生物技術(shù)后,具有生命力、可自主決策運(yùn)動(dòng)、能自我修復(fù)的微型軟體機(jī)器人將問(wèn)世,科幻電影里的生物機(jī)器人可能會(huì)成為現(xiàn)實(shí),從而掀起一場(chǎng)新的機(jī)器人革命[70]。