仿生結(jié)構(gòu)在軟機(jī)器人中的應(yīng)用

劉思遠(yuǎn)，楊 曄

（上海師范大學(xué) 信息與機(jī)電工程學(xué)院，上海 200234）

1 背景介紹

目前，大部分機(jī)器人為剛性機(jī)器人，在與人或易碎物品交互時(shí)，容易使人受傷或損壞物品，因此研究人員將目光轉(zhuǎn)向軟機(jī)器人。軟機(jī)器人具有彈性及更高的穩(wěn)定性，更容易通過狹小的縫隙或管道，且在碰撞時(shí)不易損壞[1]。因此，近些年來，軟機(jī)器人已經(jīng)成為一個(gè)新興的研究領(lǐng)域。

在不同的應(yīng)用背景下，軟機(jī)器人通常需要單獨(dú)設(shè)計(jì)，包括其結(jié)構(gòu)、材料、驅(qū)動(dòng)方式和運(yùn)動(dòng)方法，這些大多可以在自然界中找到類似的原型。自然界中的大部分生物都是軟體結(jié)構(gòu)，通過模仿這些生物，可以在降低軟機(jī)器人設(shè)計(jì)難度的同時(shí)，使軟機(jī)器人擁有與這些生物類似的能力，或者適應(yīng)這些生物的生活環(huán)境。

本文首先介紹了軟機(jī)器人的材料、制造方法、驅(qū)動(dòng)方式和控制方法，然后從結(jié)構(gòu)仿生和功能仿生兩方面綜述了仿生結(jié)構(gòu)在軟機(jī)器人中的典型應(yīng)用，如圖1所示。

圖1 研究概況

2 軟機(jī)器人的基本制造方法

2.1 材料

目前，軟機(jī)器人使用的最多的材料是硅樹脂，其優(yōu)點(diǎn)是易于塑形，易于獲取。但是硅樹脂本身無法產(chǎn)生動(dòng)力，需要外界驅(qū)動(dòng)[2]。而形狀記憶材料可以自身產(chǎn)生動(dòng)力，可以類比為軟機(jī)器人的肌肉。典型的形狀記憶材料包括形狀記憶合金、形狀記憶聚合物和液晶彈性體。

2.2 制造方法

目前，軟機(jī)器人主要的制造方式為3D打印。對于常見大小的軟機(jī)器人，通常采用熔融沉積成型（Fused Deposition Modelling，F(xiàn)DM）進(jìn)行打印[3]，這種打印方式的精度通常在毫米尺寸。對于體型更小精度要求更高的軟機(jī)器人，可以采用微型3D打印[4]或立體光刻[5]的方法。

2.3 驅(qū)動(dòng)方式

常見的純軟機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式包括氣體驅(qū)動(dòng)、液壓驅(qū)動(dòng)、磁驅(qū)動(dòng)和形狀記憶材料驅(qū)動(dòng)。此外通過軟硬結(jié)合的方法還可以用傳統(tǒng)機(jī)器人的方式驅(qū)動(dòng)軟機(jī)器人，如化學(xué)反應(yīng)驅(qū)動(dòng)[6]、電機(jī)驅(qū)動(dòng)[7]等。

2.4 控制方法

軟機(jī)器人在工作時(shí)會(huì)受力變形，因此剛性機(jī)器人開發(fā)的理論很難適用于軟機(jī)器人。目前，常見的軟機(jī)器人控制方法：有模型控制、無模型控制以及兩者混合的控制方法[8]。有模型控制是指對軟機(jī)器人建立模型，然后通過建立的模型推導(dǎo)軟機(jī)器人的控制方法，其中最常見的模型建立方法是有限元分析法。無模型控制是指通過機(jī)器學(xué)習(xí)對軟機(jī)器人進(jìn)行控制，最常見的方法是通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）進(jìn)行控制。

3 結(jié)構(gòu)仿生

自然界中的生物經(jīng)過千百年的進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)能很好地適應(yīng)其生存環(huán)境。結(jié)構(gòu)仿生是通過研究生物肌體的構(gòu)造，建造類似生物體或其中一部分的機(jī)械裝置，通過結(jié)構(gòu)相似實(shí)現(xiàn)功能相近，如圖2所示。

圖2 典型結(jié)構(gòu)仿生圖

3.1 蚯蚓仿生

蚯蚓運(yùn)動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)在于多功能性、穩(wěn)定性和高空間效率。Ge等[9]通過模擬蚯蚓的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的軟機(jī)器人可以通過簡單的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。其主要結(jié)構(gòu)為3部分，可以改變對地面摩擦力的前后端和可以拉伸收縮的中間部分。其運(yùn)動(dòng)過程分為2個(gè)階段：首先前端抓地后端放松，中間部分收縮，將后端往前拉；然后前段放松后端抓地，中間部分拉伸，將前端往前推。

類似的結(jié)構(gòu)也可以應(yīng)用在磁驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人上。Joyee等[10]設(shè)計(jì)的軟機(jī)器人，兩端為磁性材料，中間部分為軟材料。通過外界磁場可以使兩端左右移動(dòng)，使中間部分弓起或伸直，從而實(shí)現(xiàn)類似蚯蚓的移動(dòng)方式。

3.2 青蛙仿生

青蛙的雙肢合作游泳法克服了魚尾運(yùn)動(dòng)時(shí)的側(cè)向力和重心偏移問題，使青蛙的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，在較短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到較高的游泳速度。Fan等[11]通過模擬青蛙的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的軟機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的平均推進(jìn)速度為0.075 m/s，平均轉(zhuǎn)彎速度為15°/s，同時(shí)重量和體型均遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的硬青蛙仿生機(jī)器人。

3.3 蛇仿生

蛇在攀爬樹木時(shí)，通過快速纏繞不同直徑的樹枝來提高穩(wěn)定性。Liao等[12]模仿蛇的身體結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)出的軟機(jī)器人可以像蛇一樣攀爬運(yùn)動(dòng)，包括沿著一根桿拐彎，以30.85 mm/s的最大速度攀爬垂直桿，并且比現(xiàn)有的軟攀爬機(jī)器人在垂直表面上承載更大的有效載荷。

3.4 壁虎仿生

通常的軟機(jī)器人只能在水平的平面上移動(dòng)，當(dāng)坡度過大時(shí)，這些機(jī)器人就無法正常行動(dòng)。Schiller等[13]從壁虎的爬行中得到靈感，設(shè)計(jì)并制造了一款可以在高坡度的斜面上行動(dòng)的軟機(jī)器人，模擬了壁虎的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，即通過吸盤吸附在墻壁上，通過四肢和腰部的扭動(dòng)爬行。通過氣動(dòng)的方式驅(qū)動(dòng)6個(gè)執(zhí)行器，該軟機(jī)器人能夠爬上坡度高達(dá)84°的傾斜平面。

4 功能仿生

功能仿生的目的是使人造的機(jī)械具有或能夠部分實(shí)現(xiàn)高級動(dòng)物豐富的功能，如思維、感知、運(yùn)動(dòng)、操作等，如圖3所示，這在智能機(jī)器人的研究中具有重大意義。

圖3 典型功能仿生圖

4.1 排汗

與金屬不同，許多彈性體系統(tǒng)在環(huán)境溫度下具有更高的熱膨脹系數(shù)和更低的導(dǎo)熱系數(shù)，因此更加需要穩(wěn)定的工作溫度。通過模擬生物排汗的功能，可以實(shí)現(xiàn)軟機(jī)器人在高溫環(huán)境下的溫度穩(wěn)定。Mishra等[14]利用多材料立體光刻技術(shù)，3D打印了手指狀流體彈性體致動(dòng)器，其具有聚-N-異丙基丙烯酰胺（PNIPAm）主體，其上覆蓋有微孔（約200μm）聚丙烯酰胺（PAAm）背層。在低溫（＜30℃）下，孔隙充分閉合以允許加壓和驅(qū)動(dòng)，而在高溫（＞30℃）下，孔隙擴(kuò)張以允許液壓致動(dòng)器中的局部出汗。與類似的非出汗裝置相比，此類出汗致動(dòng)器的冷卻速率提高了600%。

4.2 骨骼

骨骼化是生物結(jié)構(gòu)復(fù)雜化的基礎(chǔ)，功能是運(yùn)動(dòng)、支持和保護(hù)身體。在軟機(jī)器人中加入骨骼結(jié)構(gòu)，有利于力的傳遞，增加軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。Preechayasomboon等[15]通過在軟機(jī)器人內(nèi)部加入空心的硬質(zhì)材料，不僅可以起到骨骼的作用，還降低了軟機(jī)器人的重量。

4.3 生物彈道舌

目前，軟機(jī)器人的抓取速度都比較緩慢，且通常只能抓取靜止的物體。Kan等[16]模仿蜥蜴等動(dòng)物的彈射舌，通過電磁彈射，實(shí)現(xiàn)了非?？焖俚淖ト」δ堋５沁@個(gè)軟機(jī)器人只能發(fā)射，無法將發(fā)射的結(jié)構(gòu)再次收回。

4.4 圖像識(shí)別

視力是人類獲取信息最主要的感官，當(dāng)我們抓取一個(gè)物體時(shí)，通常會(huì)根據(jù)看到的物體形狀，調(diào)整我們的抓握策略。Huang等[17]通過圖像識(shí)別，判斷需要抓取的物體形狀。再通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，將圖像數(shù)據(jù)作為輸入，輸出抓取模式，從而設(shè)定軟機(jī)器手的各個(gè)參數(shù)。

4.5 吞咽

吞咽是動(dòng)物與外界環(huán)境相互作用的重要方式，可以有效地捕獲目標(biāo)，并保持目標(biāo)的完整性，也可以給吞咽物體提供有效的保護(hù)。Li等[18]設(shè)計(jì)了一個(gè)軟體吞咽機(jī)器人，可以吞咽小型物體，或者將吞咽的物體吐出。通過向軟機(jī)器人內(nèi)部充水或空氣，可以給吞咽的物體提供保護(hù)。

4.6 剛毛

在自然界中，很多生物群體都進(jìn)化出了剛毛的結(jié)構(gòu)。這些動(dòng)物不需要爪子或腿用力，也可以在超光滑的傾斜甚至倒轉(zhuǎn)的表面上行走。當(dāng)剛毛的底部與任何基質(zhì)接觸時(shí)，由于接觸點(diǎn)處的范德華力而產(chǎn)生粘附，摩擦和粘附取決于與表面接觸的剛毛數(shù)量和接觸面的面積。Joyee等[19]研究發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人腳墊的毛狀附著力和工程疏水性使其能夠在濕滑的環(huán)境中進(jìn)行穩(wěn)健的導(dǎo)航。他們設(shè)計(jì)的軟機(jī)器人可以在濕滑的表面上行動(dòng)。

5 仿生軟機(jī)器人的現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

目前，絕大部分的仿生軟機(jī)器人仍然在實(shí)驗(yàn)階段，很少有實(shí)際的應(yīng)用。在工業(yè)上，軟機(jī)器人夾持器可以更好地貼合物品，抓取易碎或不規(guī)則物品。在醫(yī)療領(lǐng)域，軟機(jī)器人已經(jīng)可以用于輔助運(yùn)動(dòng)或術(shù)后復(fù)健[20]。此外，軟機(jī)器人潛在的應(yīng)用還包括水下探索、藥物輸運(yùn)和腸鏡等。

但是軟機(jī)器人目前仍然有很多的問題需要解決。受制于傳感器和驅(qū)動(dòng)等問題，目前絕大部分軟機(jī)器人都不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，活動(dòng)范圍受到氣管或電線的限制。此外，軟機(jī)器人身體和傳統(tǒng)的剛性電子設(shè)備之間的連接在物理上是脆弱的，容易斷裂。在將來，仍需要材料學(xué)的發(fā)展，并對軟機(jī)器人的控制進(jìn)一步研究，才能真正將軟機(jī)器人推向?qū)嵱谩?/p>