加利福尼亞大學(xué)圣地亞哥分校的工程師已經(jīng)開發(fā)出一種構(gòu)建緊湊，便攜式和多功能軟機(jī)器人的方法。他們通過制造柔軟的管狀致動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)這一進(jìn)步，該致動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)受到電氣控制，使其易于與小型電子元件集成。
作為概念驗(yàn)證，工程師使用這些新的執(zhí)行器構(gòu)建了一個(gè)柔軟的電池供電的機(jī)器人，該機(jī)器人可以不受約束地在平坦的表面上行走并移動(dòng)物體，他們還建造了一個(gè)柔軟的抓手，可以抓取小物件。
這個(gè)不受限制的軟機(jī)器人由電氣控制，具備四個(gè)軟管狀執(zhí)行器，一個(gè)微控制器和一個(gè)電池組成，可以對機(jī)器人進(jìn)行編程以步行或搬運(yùn)物體。該團(tuán)隊(duì)由加州大學(xué)圣地亞哥分校機(jī)械和航空工程學(xué)教授蔡勝強(qiáng)領(lǐng)導(dǎo)，于10月11日在《科學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了這項(xiàng)研究。
圖片來源：David Baillot /加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院
大多數(shù)軟執(zhí)行器的問題在于它們具有龐大的設(shè)置。那是因?yàn)樗鼈兊倪\(yùn)動(dòng)是通過泵送空氣或流體通過內(nèi)部腔室來控制的。因此，使用這些類型的執(zhí)行器構(gòu)建機(jī)器人將需要把它們束縛到泵，大型電源和其他專用設(shè)備上，在當(dāng)前的研究中，加州大學(xué)圣地亞哥分校的工程師創(chuàng)建了由電控制的軟執(zhí)行器。蔡說：“此功能使我們的管狀執(zhí)行器與大多數(shù)低成本的市售電子設(shè)備和電池兼容。”
用于軟機(jī)器人設(shè)備中的電控，軟管狀致動(dòng)器的視頻。圖源：何其光
致動(dòng)器由用于機(jī)器人的人造肌肉的一種材料制成，稱為液晶彈性體。它們由嵌入彈性聚合物網(wǎng)絡(luò)中的液晶分子組成。這些材料的獨(dú)特之處在于，它們可以響應(yīng)熱或電等刺激而改變形狀，移動(dòng)和收縮，這與肌肉響應(yīng)神經(jīng)細(xì)胞信號的收縮方式相似。
為了構(gòu)造每個(gè)執(zhí)行器，工程師將三根加熱絲夾在兩層液晶彈性體薄膜之間。然后將材料卷成管，進(jìn)行預(yù)拉伸并暴露在紫外線下?？梢元?dú)立控制每條加熱絲，以使管子在六個(gè)不同的方向上彎曲。當(dāng)電流通過一根或兩根電線時(shí)，它會(huì)加熱管子的一部分并使其向那些電線的方向彎曲。當(dāng)電流通過所有三根導(dǎo)線傳輸時(shí)，整個(gè)管子會(huì)收縮，從而縮短長度。關(guān)閉電源后，燈管會(huì)慢慢冷卻并恢復(fù)其原始形狀。
可以對機(jī)器人進(jìn)行編程以步行或搬運(yùn)物體。
圖片來源：David Baillot /加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院
機(jī)械和航空航天工程博士學(xué)位的第一作者何其光說：“利用外部施加的電勢可以很容易地對每個(gè)管狀致動(dòng)器的位置進(jìn)行編程。” 加州大學(xué)圣地亞哥分校雅各布斯工程學(xué)院的學(xué)生。
將多個(gè)執(zhí)行器結(jié)合在一起使工程師能夠構(gòu)建不同類型的軟機(jī)器人。他們使用四個(gè)執(zhí)行器作為支腿，建立了一個(gè)不受束縛的行走機(jī)器人。該機(jī)器人由板上的小型鋰/聚合物電池供電。他們還使用三個(gè)執(zhí)行器作為手指構(gòu)建了一個(gè)柔軟的抓手。
取決于電加熱的電熱絲（紅色），軟管狀致動(dòng)器可以在六個(gè)不同的方向上彎曲（外圖），并在長度上收縮（中心圖）。信用：何其光
每個(gè)機(jī)器人都有一個(gè)板載微控制器，工程師可以在其中為執(zhí)行器編程一系列電控運(yùn)動(dòng)，這使機(jī)器人可以獨(dú)立移動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在正在研究可以更快移動(dòng)的軟執(zhí)行器。當(dāng)前的執(zhí)行器需要大約30秒鐘才能完全彎曲和收縮，最多需要4分鐘才能恢復(fù)其原始形狀。那是因?yàn)椴牧弦ㄒ恍r(shí)間才能完全加熱和冷卻。他說，最終目標(biāo)是使執(zhí)行器能夠像人的肌肉一樣快速收縮和放松。
