軟機器人通常由比人體肌肉還要柔軟的軟材料制造而成 ,通過控制其柔軟身體的變形來模仿自然界中各種軟體動物的運動,比如毛毛蟲,蛇、魚以及水母等。和剛性機器人相比,軟機器人在柔性、靈活性、以及安全性等方面都具有優(yōu)勢。但是同時,柔性材料也帶來了一些天然缺陷,比如響應(yīng)慢及力量小等,因此大多數(shù)軟機器人運動速度較為緩慢,介于每秒0.02至0.8個身長(自身身體長度)。自然界中蝸牛的爬行速度為每秒0.1-0.2個身長,而獵豹的速度為每秒16個身長。如何讓軟機器人也能高速跑起來成為了一個亟待解決的問題。
近日,北卡州立大學(xué)(NCSU)尹杰教授團隊和科羅拉多州立大學(xué)(CSU)趙建國教授以及紐約市立大學(xué)(CCNY)蘇浩教授團隊合作,通過巧妙利用雙穩(wěn)態(tài)間的快速跳轉(zhuǎn)(snap-through bistability),實現(xiàn)了可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機器人(身長約7厘米重量約50克),其速度可達每秒2.7個身長(187.5mm/s)。同時該雙穩(wěn)態(tài)機制有多方面用途,既可以實現(xiàn)水下軟機器人的快速游動,速度可達每秒0.8個身長(117mm/s);又可以用于可調(diào)節(jié)抓力的軟機器人抓手(可抓取易碎的生雞蛋也可提起重達10公斤的啞鈴)。
北京時間2020年5月9日,論文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”為題發(fā)表在Science Advances上。
獵豹柔性脊背的啟發(fā)
獵豹的脊背柔軟且富有彈性,通過拉伸背部肌肉來控制脊背的快速彎曲以及伸長,來實現(xiàn)高速奔跑(圖1a)。受此啟發(fā),研究團隊設(shè)計了柔性脊背軟機器人(圖1b),脊背的變形由軟“身體”-氣動軟驅(qū)動器-來驅(qū)動。該驅(qū)動器有上下兩層氣道,在充氣加壓后可以雙向彎曲,從而帶動脊背的上下彎曲變形。為了實現(xiàn)脊背的快速運動,研究團隊給脊背裝上了“肌肉”-預(yù)拉伸彈簧(圖1b)-來存儲能量,使其變身成為一個雙穩(wěn)態(tài)機構(gòu)(圖1c):背部向上彎或向下彎代表兩種穩(wěn)定狀態(tài);背部變直時,為失穩(wěn)狀態(tài)。當來回擺動“身體”時,“肌肉”中的能量得以儲存和快速釋放,柔性脊背在雙穩(wěn)態(tài)間來回突跳,從而實現(xiàn)類似獵豹脊背的快速運動。團隊將此機器人命名為LEAP高性能軟機器人。
團隊研究顯示雙穩(wěn)態(tài)機制可以讓LEAP軟機器人像獵豹一樣(圖2a),快速奔跑起來,速度可達每秒2.5個身長(174mm/s)(圖2b),該速度比目前報道的最快軟機器人快約3倍(圖2c)。與貼地爬行的傳統(tǒng)單穩(wěn)態(tài)軟機器人相比,團隊顯示雙穩(wěn)態(tài)機制具有下列獨特優(yōu)勢:
- 更快(響應(yīng)時間縮短20倍,突跳時間約50毫秒,運動速度提高2倍(圖2b))
- 更強(力量輸出提高3倍,可以爬坡(圖2d)等)。
LEAP高性能軟機器人的多場合應(yīng)用
該團隊展示LEAP機器人也可以實現(xiàn)水下的快速運動以及變剛度機械手的抓取等。
快速水下軟機器人:當給軟驅(qū)動器身后加裝一個柔性尾巴,通過左右擺動身體,可以模擬魚的游動(圖3a-3b)。以往研究表明,驅(qū)動頻率越高,軟機器人游動速度越快,在5Hz的驅(qū)動頻率下,最快速度可達0.7身長/秒(圖3c)。該研究顯示即使在低頻驅(qū)動下(比如約1.3Hz),雙穩(wěn)態(tài)間的快速突跳使其速度也可高達每秒0.78個身長(圖3c)。
變剛度機器人抓手:通過實時調(diào)節(jié)彈簧中的拉力,機械手的剛度也可以隨之改變?;诖?,該團隊展示了可以實時改變抓力的機械手。機械手既可以抓取易碎的雞蛋,又可以抓取不規(guī)則形狀線圈,礦泉水,以及直接抓取啞鈴等(圖3d)。
展望
該工作利用失穩(wěn)原理來加快軟材料的響應(yīng),理論上該原理也可以推廣到其它雙穩(wěn)態(tài)以及多穩(wěn)態(tài)軟機構(gòu),以及更小尺度和活性材料驅(qū)動器比如液晶彈性體,水凝膠,形狀記憶聚合物和電介質(zhì)彈性體等。驅(qū)動原理將不限于氣壓或水壓,可推廣至相應(yīng)的外部刺激比如溫度、pH、光、電場以及磁場等自主軟機器人。