仅1.1克重，最快的软跳动机器人Made in China

文丨学术头条，作者丨库珀，编审丨寇建超

关于机器人而言，跳动是一种非常重要的才能，这能够使它们扩展活动范围，战胜跋涉妨碍，习惯许多非结构化环境等。

接连跳动和方向可调整性，是具有多模态运动的地上机器人的根本特性。但是，现在只要少量软跳动机器人能够完成快速接连跳动和操控转向运动，以完成越障。

现在，我国科研团队提出了一种根据软电静力学曲折致动器的，电静力学驱动的系绳无腿软跳动机器人，这种机器人只是 1.1 克重、6.5 厘米长，0.85 毫米厚，能够完成 7.68 倍体高的跳动高度和每秒 6.01 倍体长的接连向前跳动速度，结合两个执行器单元，可完成每秒 138.4°的转向速度。

相关论文宣布在科学期刊《天然-通讯》（Nature Communications）上，论文的首要作者别离来自重庆大学、哈尔滨工业大学、上海大学、北京航空航天大学等。

研讨人员还将其他功能性电子设备（如传感器）集成到制动器上，然后完成包含侦测环境改动在内的多种运用，并主张未来进行结构优化以改善软体机器人的跳动功能，未来或对无绳计划的进一步研讨或可增进这类软体机器人的通用性。

立异电液静力驱动办法

进步软跳动机器人的单跳功能（跳动高度 JH 和跳动距离 JD）以进步其越障才能，一起加速跳动频率以进步其导航功率，是软跳动机器人面对的两大工程应战。

现在，业界现已开发出了能够向前导航的软或部分软跳动机器人，驱动办法也非常多样，有集成绷簧、形状回忆合金（SMA）、磁致动器、光动力致动器、介电弹性体致动器（DEA）、气动致动器、化学致动器、电机和聚偏二氟乙烯（PVDF）致动器驱动等。

有一部分是储能跳动机器人，这类机器人一般具有微弱的单跳功能，但由于需求额定的弹性储能进程，因而需求献身导航功率为价值。

此外，虽然储能进程的延伸增加了跳动高度，但下降了着陆安稳性，一起下降了跳动频率；由气动执行器、化学执行器和电机驱动的软跳动机器人，一般需求杂乱的导航战略和结构；而根据 DEAs 和 PVDF 执行器的轻型软跳动机器人，能够经过曲折身体部位进行简略跳动，无需额定储能，这会导致快速跳动频率，但它们的 JHs 和 JDs 不足以满意跨过妨碍物的要求（<0.25 体高）。

液压扩大自愈静电（HASEL）执行器能够经过电流体静力学改动内部液体的散布来完成线性运动，这种电液驱动办法能够在很短的时刻内发生跳动所需的能量，而不需求杂乱的能量贮存进程，是快速越障机器人的潜在解决计划，但仍面对三大应战：

（1）在没有堆叠的情况下进步单跳功能；
（2）完成快速康复；
（3）发生向前跳动和转向跳动。

经过深入分析这些机器人计划的优劣势和功能后，研讨人员运用根据电静力学原理和结构的快速曲折和回弹，来增强致动器的跳动功能。

图 | LSJR 具体规划和运动原理（来历：Nature Communications）

研讨人员将新的解决计划命名为 LSJR：一种电液静力驱动的系留式无腿软跳动机器人，该机器人根据软电液静力曲折致动器（sEHBA），具有快速、接连、转向跳动和越障才能。

开始实验标明，sEHBA 的快速呼应特性导致短发动时刻（~10 ms），LSJR 可用于完成 7.68 个身体高度的 JH，单次跳动为 1.46 个身体长度，接连向前跳动速度为 390.5 mm/s（每秒 6.01 个身体长度），频率为 4 Hz。

他们还证明了双体 LSJR 的转向速度能够到达每秒 138.4°，是现有软跳动机器人中速度最快的。

图｜机器人弹跳的原理和作用（来历：Nature Communications）

实验场景下，LSJR 的快速接连跳动运动能够跨过多种妨碍物（其间一些比机器人大），包含斜坡、电线、单步、接连步、环形妨碍物、砾石丘和不同形状的立方体等。

探究最佳功能参数

LSJR 由两个塑料半圆形袋组成，袋子是双向取向聚丙烯（BOPP）薄膜资料，袋上印有柔性电极，用于潜在电线衔接。袋子前面装满了介电液体，后边装满了相同体积的空气。柔性塑料（PVC）环结构固定在边际上，并进行预拉伸。经过向两个电极施加高压，LSJR 通电以曲折本身，发生向前跳动的力和能量，后部气囊有类似于动物的尾巴，用于坚持跳动和着陆姿态的平衡，在LSJR的整个结构中起侧重要作用。

从规划理念和运动原理方面来讲，研讨人员将一个 HASEL 型致动器热封为一个半圆形别离 HASEL（SCS-HASEL）致动器，该致动器由两个根据拉链机制的半圆形液体袋组成，然后，用等量的空气替换 SCS-HASEL 致动器后半圆袋中的介电液体，并移除后半圆袋的掩盖电极，使介电液体能够相关于整个致动器各向异性活动。

正如预期那样，能够发现特别的液-气布局能够使液-气致动器向前跳动，即便气囊在地上上跳动，这是由于电极揉捏液体电介质，使其快速活动，LSJR 通电曲折本身，然后使其取得初始动能。为了进一步进步 LSJR 的跳动功能，能够用氦气或其他密度较低的非爆炸性气体替换该袋中的空气。轻盈的机器人规划使跳动和着陆安稳，不会翻船。

图｜LSJR 移动行进测验（来历：Nature Communications）

JD 和 JH 是两个重要的功能指标，可用于表征 LSJR 的跳动功能。r=电极面积：非电极面积，实验显现 r=1:1 时机器人发生了更大的 JD 和J H，过量的 r（例如 r=2:1）会影响 BOPP 薄膜的柔韧性，阻止结构的正常曲折，下降笔直地上反作用力。

此外，接连向前跳动速度（CFJS）是接连向前跳动机器人的一个重要功能特征，在 10 kV和 4 Hz 下，均匀旋转速度（TS）=138.4°/s，据论文描绘，这是现有软跳动机器人中速度最快的，这是在木板上的成果。而在不同的衬底上会大大影响接连跳动才能，在外表润滑的玻璃板上，相同 10 kV 和 4 Hz 的条件，均匀 TS 仅为 27.9°/s。满足的基板外表粗糙度不只能够避免机器人在接连运动中打滑，还能够阻止无动力 LSJR 的运动，然后影响转向行为。

LSJR 具有较好的越障才能，有望在杂乱和非结构化的环境中进行探究、查看和侦查使命。在 10 kV 的外加电压和 4 Hz 的驱动频率下，单体 LSJR 以 16.3 mm/s（0.25 体长/秒）的 CFJS 爬上玻璃板（歪斜视点为 3°），跨过直径为 6.3 mm 的电线，跨过 8 mm 高台阶以及跨过接连台阶。

在妨碍物高度距离为4 mm 的穿越实验中，LSJR 可穿越的最大高度为14 mm（长方体），18 mm（三角棱镜和圆柱体），还能顺畅穿过含有许多砾石（巨细：3 到 6 mm）的砾石丘。

图｜LSJR 移动行进测验跨过妨碍（来历：Nature Communications）

还有更多风趣的演化

总的来说，LSJR 具有低剖面、轻量化、模块化和经济高效等优势，经过简略的操控战略，该机器人就能完成快速、接连和转向跳动、承载和越障的才能。

选用特别液气布局和边际固定预弯结构，完成了由周期性马鞍形曲折和各向异性液体流引起的快速接连向前和转向跳动运动，这弥补了 HASEL 致动器的一些局限性，包含：（1）无法完成的向前和转向跳动；（2）没有堆叠的单跳功能较弱；（3）无法快速康复。在接连向前跳动运动中，每次跳动的视点误差可操控在 8°以内，机器人的最大跳动高度能够到达 18 毫米。

LSJR 的跳动功能不只取决于外加电压，还取决于各种运动基板的外表纹路，在相同的外加电压（10 kV，4 Hz）下，外表最润滑的玻璃基板供给了一切基板中最低的冲突导致较低的 CFJS 为95.6 mm/s（1.47 体长/秒）。现在，这约束了该机器人在相对润滑的外表上跳动的运用。

研讨人员表明，LSJR 可经过衔接光和软温度传感器、膏和光致变色染料等，用于检测和记载环境改动，如温度和紫外线，也可经过集成其他传感器，用来检测更多的环境要素，如工业环境和民用建筑中的污染物。

下一步作业，他们将侧重研讨 sEHBA 的可扩展性和参数优化，以完成更好的跳动功能，开发无约束 LSJR 和运用，以及根据 sEHBA 的其他软机器人，如爬墙机器人、游水机器人、还有扑翼机器人等。