密歇根州立大学曹长勇团队Advanced Materials Technologies综述: 软体爬行机器人

软体爬行机器人能够更加安全有效地实现与人和未知环境的交互，在灾害搜救、设施检查、军事侦查、药物输送和人类协助等方面具有广泛应用和巨大潜力，越来越多的受到人们的关注。近日，美国密歇根州立大学曹长勇团队详细总结了人们近年来在软体爬行机器人领域的最新研究进展，重点讨论了软体爬行机器人的结构设计，驱动模式和运动方式。文章根据软体爬行机器人采用的三种主要驱动方式：气/液压驱动、化学反应驱动和基于软活性材料的驱动，分类概括了相应领域的最新进展和成果。其中，文中着重探讨了基于软活性材料的软体爬行机器人，涵盖的材料包括介电弹性体(DE)，形状记忆合金(SMA)，磁响应弹性体(MAE)，液晶弹性体(LCE)，压电材料(PEM)，离子聚合物金属复合材料(IPMC)以及扭绕聚合物(TCP)等。针对每种驱动方式，通过具有代表性的软体爬行机器人详细讨论了在执行器的结构设计、工作原理以及性能方面的研究成果和进展。此外，不同驱动机制在爬行机器人运动中的性能、代表性设计的优缺点等进行了比较。总之，本文总结了软体爬行机器人设计的最新进展及关键技术，分析了软体爬行机器人的未来发展趋势和挑战，对开展软体爬行机器人的研发具有一定的指导意义。

图1. 基于气压驱动的软体爬行机器人。

（A）PN驱动器的变形原理；（B）多步态软体机器人；（C）PN执行器的两种不同气压状态下的变形；（D-F）蛇形软体机器人及其运动机理和气压驱动器的示意图；（G）利用基于剪纸的皮肤的构建的爬行机器人;（H-I）由V-SPA模块构成的连续体机器人及其V-SPA驱动器结构；（J）管道爬行的软体机器人以及（K）结构组成示意图。

图2. 基于气压驱动的软体行走机器人。

（A-B）四足软体机器人及其采用的cVAM驱动器的结构设计；（C）在-90 kPa下的cVAM执行器的工作状态；（D）可全方向运动的软体模块化机器人；（E）软体圆柱状驱动器在不同压力情况下的变形；（F）机器人爬行机理（蓝色代表正压力作用，红色代表负压作用）；（G）依靠气压推动的执行器所构成的三足软体机器人;（H-J）气体驱动的肢体变形与运动状态。

图3. 基于液压以及化学反应的软体爬行机器人。

（A-B）新型3D打印的六足机器人及其足部设计配置和（C）执行器结构；（D）基于化学反应推进的软体自控制机器人Octobot；（E）软体控制器中的单向阀和切换阀系统；（F）软体控制器中的振荡器改变Octobot的运动状态；（G）基于燃烧驱动的3D打印的软体跳跃机器人; (H)化学反应顺序包括：燃料运输、混合与点火；(I)单向跳跃运动过程中不同时间步的位置变化。

图4. 基于介电高弹聚合物的软体行走机器人。

（A）一种依靠多层叠DEA驱动的仿生四足机器人；（B）多层叠DEA的电致驱动机理；（C）四足机器人的运动步态（摆动相与支撑相）以及曲柄滑块运动原理；（D）第一代Sungkyunkwan六足机器人S-Hex I；（E）足部驱动器的设计以及相应运动步态；（F）第二代Sungkyunkwan六足机器人S-Hex II;（G）改进的足部驱动器设计以及相应运动步态。

图5. 基于闭环构型介电高弹聚合物的软体爬行机器人（滚动及滑动模式）。

（A）可折叠DEA驱动软体爬行机器人；（B）增强型可折叠DEA的CAD模型以及其（C）驱动机理；（D）基于多节DEMES驱动的软体滚动机器人（RSR）；（E）单节DEMES结构驱动时的应力状态以及RSR的滚动原理；（F）由DEA构成身体以及六组EAA作为足的全方向可移动软体机器人（OSCR）及其（G）运动机理;（H）由闭环式DEA结构单元组装而成的爬行机器人及其（I）滑行运动机理。

图6. 基于介电高弹聚合物的尺蠖式软体爬行机器人。

（A）基于DEA以及EAA的无牵引软体机器人；（B）EAA的驱动原理；（C）无牵引软体机器人的运动机理；（D）四足尺蠖型机器人及其（E）爬行机理；（F）实现完全软体的爬行机器人及其（G）运动原理；（H）“Trevor”软体机器人及其（I）应用的集成式DEO组件。

图7. 基于形状记忆合金的软体爬行机器人。

（A）毛毛虫式软体机器人GoQBot的结构设计；（B）3D打印的软体爬行机器人；（C）内部SMA的排列以及底部多摩擦系数结构设计；（D）海星状软体机器人及其（E）运动机理；（F）基于SMA生成的SSC结构所驱动的海龟型机器人以及其（G）运动原理；（H）由SMA弹簧以及各向异性摩擦衬垫组成的Omegabot软体机器人及其（I）爬行与转向机理。

图8. 基于磁响应弹性体的软体爬行机器人。

（A-B）多足磁控软体机器人；（C）打印制备快速变形的软体机器人; (D）3D打印的磁控变弹性体在多种编程式磁场中的功能性演示，包括(a)基于不同磁场方向所展现出不同电子功能的可重组的电子设备；(b)可阻拦并抓取快速移动物体的六面体结构；c)定点运送药片；d)施加磁场突转所引起的3D膨胀结构的水平跳跃。

图9. 基于液晶弹性体的软体爬行机器人。

（A）由CLCP多层薄膜结构组成的软体爬行机器人；（B）紫外线与可见光对CLCP层长度变化的影响；（C）基于CLCP复合结构光致变形所产生的尺蠖式爬行运动；（D）光驱使的毛毛虫状软体机器人；（E）依据特定分子取向而制作的LCE薄膜结构；（F）周期性激光束驱动的机器人爬行运动;（G）基于LCE与CB制成的尺蠖型软体机器人以及（H）爬行运动的步态分解。

图10. 基于压电材料的软体爬行机器人。

（A）使用弯曲的PVDF结构所制作的机器人及其在两种不同表面上的运动；（B）单层扁平PVDF结构与弯曲复合结构（PVDF与PI）的驱动原理；（C）基于左右两侧不对称摩擦所形成的爬行运动。

图11. 基于离子聚合物金属复合材料及扭绕聚合物的软体爬行机器人。

（A）由离子聚合物金属复合材料单元（腿部与身体结构）组成的软体爬行机器人；（B）模块化身体以及腿部的驱动原理以及机器人的组装；（C）依靠身体结构扩张/压缩以及腿部结构加紧/放松产生的爬行运动；（D）由SCPAM驱动的尺蠖式机器人及（E）依靠身体弯曲和各向异性摩擦实现的运动；（F）由TCP驱动器制成的爬行机器人；（G-H）TCP机器人通过各向异性摩擦实现爬动。

以上相关成果发表在国际著名期刊Advanced Materials Technologies上。论文第一作者为密歇根州立大学博士生陈守锷，通讯作者为密歇根州立大学曹长勇教授。南方科技大学袁鸿雁教授、密歇根州立大学谭晓波教授、香港城市大学董立新教授等为论文共同作者。

论文链接：

Chen, S., Cao, Y., Sarparast, M., Yuan, H., Dong, L., Tan, X., Cao, C., Soft Crawling Robots: Design, Actuation, and Locomotion. Adv. Mater. Technol. 2019, 1900837 https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/admt.201900837

课题组网站：www.caogroup.org 

本文由密歇根州立大学曹长勇团队供稿。

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