34岁中国科学家研发“无腿”软体机器人,转向跳跃每秒138.
没有腿,仍能跳跃?日前,34 岁的中国青年科学家陈锐,研发出一款无腿软体机器人,可实现快速可控的持续跳跃。
动图1 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
机器人重量为 1.1 克、长度是 6.5 厘米,借助灵活的电动液体,即可给它提供动力。 它跳出的最远距离,是自身身高的 7.68 倍,每秒连续前跳速度则是自身身长的 6.01 倍。 据该团队表示,这是现有软跳跃机器人中速度最快的。
动图 2 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
它还能绕过电线、砾石堆、斜坡、异形立方体等障碍物。 在连续向前跳跃运动中,每次跳跃的角度偏差可控制在 8° 以内,当集成两个无腿软跳机器人时,还可以每秒 138.4° 的速度转向跳跃。
这些能力主要依赖于该团队提出的新 型电液驱动技术和 结构驱动一体化设计 方法,借此可让 软体 机器人做出敏捷的多模态运动。
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图 | 陈锐(来源:陈锐)
12 月 8 日,相关论文以《能够实现快速、连续、转向跳跃的无腿软体机器人》(Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping)为题,发表在 Nature Communications 上,来自重庆大学机械与运载工程学院的陈锐担任论文通讯作者[1]。
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图 | 相关论文(来源:Nature Communications)
近年来,陈锐团队一直围绕软体机器人的驱动机理与驱动方法展开研究,特别是功率密度高、响应速度快的新型驱动方式,并期望通过结构驱动一体化设计的方法,将其应用在软体机器人上。
跳跃,是移动机器人运动的基本形式之一。它能扩大陆地移动机器人的探索空间,并能解决传统移动机器人需要通过绕行来规避障碍的问题。
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(来源:Nature Communications)
不过,为了提高跳跃性能,这一运动形式往往会给驱动器的功率密度、以及响应速度提出较高要求。因此,陈锐希望通过研究新型驱动器,并在跳跃机器人进行应用验证。
研究分为前中后三阶段
陈锐介绍称,研究主要分为前、中、后三个阶段,前期是对现存跳跃机器人进行调研,中期是思考、并创新实现跳跃的新型驱动方式,后期则是对机器人进行性能优化测试。
在前期调研中,从驱动类型、跳跃性能等各方面,他对各类机器人的优缺点做了综合分析,并凝练出一些关键技术指标。
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(来源:Nature Communications)
中期他主要围绕以上关键技术指标,对驱动器展开创新设计。期间,他和团队做了多次迭代尝试,包括优化驱动器结构参数、以及驱动电压等。
后期则主要是针对机器人的跳跃和越障性能进行测试和更新,并探索了潜在应用场景。
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(来源:Nature Communications)
为了利用各向异性液体流动来实现能量不平衡引起的向前跳跃,陈锐把电介质液体密封到一个半圆形执行器中,借此让机器人表现出更好的跳跃性能。
然后,将制动器另外一个半圆袋子中充入等体积空气。这时,相对于整个致动器来说,电介质液体即可呈现出各向异性流动。
正如预期的那样,特殊的液体-空气布局,可让执行器向前跳跃,就算空气袋被拖动在地上也能照常运动。这是因为电极会挤压液体电介质,进而使其快速向前流动,从而提供初始动能。
动图3 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
通过观察上述三种类型的致动器,陈锐发现它们的跳跃都是由液体袋的部分膨胀引起的。
其中,特殊的液空布局、以及半圆形压缩结构,可让内部液体产生各向异性的快速流动,进而产生大量的正向动能。
同时,固定在软致静电弯曲执行器边缘的预弯曲框架,可以指导变形方向,以便实现快速弯曲运动,借此可产生垂直动能和水平动能。概括来说,特殊的液空布局和预弯框架结构,大大提高了电液执行器的跳跃性能。
这种无腿软跳机器人,可通过快速液体流动和身体弯曲来跳跃,从而可大大缩短跳跃间隔时间。由于具备弹性,因此可帮助机器人快速恢复形状,以避免影响下一次跳跃。
无腿软跳机器人由两个带有柔性电极印刷的塑料半圆形袋组成,它们与两个导电带连接,用于潜在的电线连接。这两个袋由双轴向聚丙烯薄膜制成。前袋充满了电介质液体,后面充满了相同体积的空气。
研究中,需要将柔性塑料聚氯乙烯环框固定在其边缘并进行预应变。
值得注意的是,机器人的后气囊与动物尾部相似,这可用于保持跳跃和着陆姿态的平衡,在无腿软跳机器人的整个结构中起着重要的作用。
为进一步提高无腿软跳机器人的跳跃性能,陈锐把袋中空气用非爆炸性气体氦气所取代。
动图 4 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
这时,机器人即可通过能量变化,来产生向前跳跃的能量。在对电极施加高电压后,介质电液体会从流出区、挤压到没有电极覆盖的流入区。这种快速和各向异性的流动,可产生一个初始动能。其中,前袋电极之间静电力的增加,可引起液体的快速流动。
另外,当框架产生瞬间弯曲时,即可推动机器人身体进入空气中。在快速起飞后,机器人的初始水平速度,会由框架末端的水平地面反作用力决定。
在跳跃状态下,环框会迅速释放弹性能量,这时介电液体回流,机器人即可恢复到原始状态,并为着陆后的下一次跳跃做准备。
此外,施加相同极性的电压,可让电荷处于保留状态,并在致动器内部积累,从而防止致动器完全回到其初始位置,以避免影响下一次实验结果。每次实验后,极性都会被逆转,并等待一分钟来缓解电荷保留。
动图 5 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
单个驱动器总价不到5毛钱
软致静电弯曲执行器的设计灵感,来自液压放大的自修复静电致动器的静电跳跃,以及由介电弹性体执行器的预变形框架引起的周期性马鞍形弯曲。
在设计过程中,陈锐专门建立了力学分析模型、以及介质液体重心运动等效模型,借此可对驱动器尺寸参数进行优化。
由于机器人使用特殊的液体空气布局、以及边缘固定预弯曲框架,借此可实现快速连续前进和转向跳跃运动,还可实现各向异性液体流动周期性的弯曲,因此可弥补液压放大的自修复静电执行器的限制。
动图 6 | 无腿软体机器人(来源:Nature Communications)
此次单体机器人的头部液体腔和尾部空气腔并不对称,这是该团队专门设计的,只有这样才能实现单向运动。 从当前的结构来说,尾部空气腔主要用于减重和平衡,如果简单将结构进行对称,会造成跳跃性能的下降。
相比三聚氰胺板材料或人工肌肉,此次使用的材料主要有两方面优势: 一是驱动效率比较高、响应速度很快,特别适合开展结构驱动的一体化设计; 二是成本比较低,单个驱动器的总价不到 5毛钱。
目前,在小于 8HZ 的低频状态下,陈锐主要利用最优运动频率,来实现最具效率的前进跳跃方式。 而在 8HZ 以上的高频状态下,机器人可呈现出慢速爬行的姿态,这一运动模式能让它做出比较紧密和精细的位置移动。
陈锐坦言: “其实我们并不需要追求两种模式运动的一致性,反而能很好地综合利用这两种不同的运动形式。 ”
而在制备机器人时,有时会遇到驱动特性不一致的问题,毕竟是手工制作,很难保证所有参数和环境条件绝对一致。 因此,陈锐主要通过量化制作参数,来尽可能地保证机器人的一致性。 此外在实际测试中,可通过调整控制策略,去消除掉轻微的运动差异。
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(来源:Nature Communications)
可用于检测紫外线变化
通过安装光温传感器、以及光致变色染料等,机器人可用于检测温度和紫外线等环境变化。
通过集成其他传感器,它有望检测到更多的环境因素,比如工业环境和民用建筑中的污染物。
如果给这种形状的软体机器人涂上防水材料,再通上高频电压的话,理论上有望通过摇摆运动在水里游泳。这也正是陈锐正在开展的研究方向,他希望把这种驱动方式应用在水下机器人,借助摇摆和扑动实现类似于鱼类一样的运动。
投稿过程一波三折
实验过程中,当机器人第一次展现出优秀跳跃性能时,整个团队都大受鼓舞。因为相比此前调研的机器人样机,他们终于看到了自己团队制备的机器人的优势。
在论文的投稿过程中,也经历了一波三折,很多审稿人提出了宝贵意见,他们也前后修改多次,还补了很多实验,过程虽然煎熬但也让团队成长了不少。
目前,陈锐已经确定了后续研究计划,届时将主要围绕两方面:一是进一步优化新型电液驱动方式的性能,比如如何实现无系留作业,即让驱动器或机器人实现自供电;二是进一步拓展这种驱动方式的应用领域。
未来,他希望在解决掉工程化问题的基础上,将这种驱动方式应用在更多软体机器人上。
具体来说,未来陈锐将研究机器人的可扩展性、以及参数优化,从而让软致静电弯曲执行器实现更好的跳跃性能,他还将开发出无系留无腿软跳机器人以及相关应用程序。
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