動(dòng)圖1 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
機(jī)器人重量為 1.1 克、長(zhǎng)度是 6.5 厘米，借助靈活的電動(dòng)液體，即可給它提供動(dòng)力。 它跳出的最遠(yuǎn)距離，是自身身高的 7.68 倍，每秒連續(xù)前跳速度則是自身身長(zhǎng)的 6.01 倍。 據(jù)該團(tuán)隊(duì)表示，這是現(xiàn)有軟跳躍機(jī)器人中速度最快的。
動(dòng)圖 2 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
它還能繞過電線、礫石堆、斜坡、異形立方體等障礙物。 在連續(xù)向前跳躍運(yùn)動(dòng)中，每次跳躍的角度偏差可控制在 8° 以內(nèi)，當(dāng)集成兩個(gè)無(wú)腿軟跳機(jī)器人時(shí)，還可以每秒 138.4° 的速度轉(zhuǎn)向跳躍。
這些能力主要依賴于該團(tuán)隊(duì)提出的新 型電液驅(qū)動(dòng)技術(shù)和 結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì) 方法，借此可讓 軟體 機(jī)器人做出敏捷的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。
圖 | 陳銳（來(lái)源：陳銳）
12 月 8 日，相關(guān)論文以《能夠?qū)崿F(xiàn)快速、連續(xù)、轉(zhuǎn)向跳躍的無(wú)腿軟體機(jī)器人》（Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping）為題，發(fā)表在 Nature Communications 上，來(lái)自重慶大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院的陳銳擔(dān)任論文通訊作者[1]。
圖 | 相關(guān)論文（來(lái)源：Nature Communications）
近年來(lái)，陳銳團(tuán)隊(duì)一直圍繞軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)理與驅(qū)動(dòng)方法展開研究，特別是功率密度高、響應(yīng)速度快的新型驅(qū)動(dòng)方式，并期望通過結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)一體化設(shè)計(jì)的方法，將其應(yīng)用在軟體機(jī)器人上。
跳躍，是移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基本形式之一。它能擴(kuò)大陸地移動(dòng)機(jī)器人的探索空間，并能解決傳統(tǒng)移動(dòng)機(jī)器人需要通過繞行來(lái)規(guī)避障礙的問題。
（來(lái)源：Nature Communications）
不過，為了提高跳躍性能，這一運(yùn)動(dòng)形式往往會(huì)給驅(qū)動(dòng)器的功率密度、以及響應(yīng)速度提出較高要求。因此，陳銳希望通過研究新型驅(qū)動(dòng)器，并在跳躍機(jī)器人進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證。
研究分為前中后三階段
陳銳介紹稱，研究主要分為前、中、后三個(gè)階段，前期是對(duì)現(xiàn)存跳躍機(jī)器人進(jìn)行調(diào)研，中期是思考、并創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)跳躍的新型驅(qū)動(dòng)方式，后期則是對(duì)機(jī)器人進(jìn)行性能優(yōu)化測(cè)試。
在前期調(diào)研中，從驅(qū)動(dòng)類型、跳躍性能等各方面，他對(duì)各類機(jī)器人的優(yōu)缺點(diǎn)做了綜合分析，并凝練出一些關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。
（來(lái)源：Nature Communications）
中期他主要圍繞以上關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，對(duì)驅(qū)動(dòng)器展開創(chuàng)新設(shè)計(jì)。期間，他和團(tuán)隊(duì)做了多次迭代嘗試，包括優(yōu)化驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)、以及驅(qū)動(dòng)電壓等。
后期則主要是針對(duì)機(jī)器人的跳躍和越障性能進(jìn)行測(cè)試和更新，并探索了潛在應(yīng)用場(chǎng)景。
（來(lái)源：Nature Communications）
為了利用各向異性液體流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量不平衡引起的向前跳躍，陳銳把電介質(zhì)液體密封到一個(gè)半圓形執(zhí)行器中，借此讓機(jī)器人表現(xiàn)出更好的跳躍性能。
然后，將制動(dòng)器另外一個(gè)半圓袋子中充入等體積空氣。這時(shí)，相對(duì)于整個(gè)致動(dòng)器來(lái)說，電介質(zhì)液體即可呈現(xiàn)出各向異性流動(dòng)。
正如預(yù)期的那樣，特殊的液體-空氣布局，可讓執(zhí)行器向前跳躍，就算空氣袋被拖動(dòng)在地上也能照常運(yùn)動(dòng)。這是因?yàn)殡姌O會(huì)擠壓液體電介質(zhì)，進(jìn)而使其快速向前流動(dòng)，從而提供初始動(dòng)能。
動(dòng)圖3 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
通過觀察上述三種類型的致動(dòng)器，陳銳發(fā)現(xiàn)它們的跳躍都是由液體袋的部分膨脹引起的。
其中，特殊的液空布局、以及半圓形壓縮結(jié)構(gòu)，可讓內(nèi)部液體產(chǎn)生各向異性的快速流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生大量的正向動(dòng)能。
同時(shí)，固定在軟致靜電彎曲執(zhí)行器邊緣的預(yù)彎曲框架，可以指導(dǎo)變形方向，以便實(shí)現(xiàn)快速?gòu)澢\(yùn)動(dòng)，借此可產(chǎn)生垂直動(dòng)能和水平動(dòng)能。概括來(lái)說，特殊的液空布局和預(yù)彎框架結(jié)構(gòu)，大大提高了電液執(zhí)行器的跳躍性能。
這種無(wú)腿軟跳機(jī)器人，可通過快速液體流動(dòng)和身體彎曲來(lái)跳躍，從而可大大縮短跳躍間隔時(shí)間。由于具備彈性，因此可幫助機(jī)器人快速恢復(fù)形狀，以避免影響下一次跳躍。
無(wú)腿軟跳機(jī)器人由兩個(gè)帶有柔性電極印刷的塑料半圓形袋組成，它們與兩個(gè)導(dǎo)電帶連接，用于潛在的電線連接。這兩個(gè)袋由雙軸向聚丙烯薄膜制成。前袋充滿了電介質(zhì)液體，后面充滿了相同體積的空氣。
研究中，需要將柔性塑料聚氯乙烯環(huán)框固定在其邊緣并進(jìn)行預(yù)應(yīng)變。
值得注意的是，機(jī)器人的后氣囊與動(dòng)物尾部相似，這可用于保持跳躍和著陸姿態(tài)的平衡，在無(wú)腿軟跳機(jī)器人的整個(gè)結(jié)構(gòu)中起著重要的作用。
為進(jìn)一步提高無(wú)腿軟跳機(jī)器人的跳躍性能，陳銳把袋中空氣用非爆炸性氣體氦氣所取代。
動(dòng)圖 4 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
這時(shí)，機(jī)器人即可通過能量變化，來(lái)產(chǎn)生向前跳躍的能量。在對(duì)電極施加高電壓后，介質(zhì)電液體會(huì)從流出區(qū)、擠壓到?jīng)]有電極覆蓋的流入?yún)^(qū)。這種快速和各向異性的流動(dòng)，可產(chǎn)生一個(gè)初始動(dòng)能。其中，前袋電極之間靜電力的增加，可引起液體的快速流動(dòng)。
另外，當(dāng)框架產(chǎn)生瞬間彎曲時(shí)，即可推動(dòng)機(jī)器人身體進(jìn)入空氣中。在快速起飛后，機(jī)器人的初始水平速度，會(huì)由框架末端的水平地面反作用力決定。
在跳躍狀態(tài)下，環(huán)框會(huì)迅速釋放彈性能量，這時(shí)介電液體回流，機(jī)器人即可恢復(fù)到原始狀態(tài)，并為著陸后的下一次跳躍做準(zhǔn)備。
此外，施加相同極性的電壓，可讓電荷處于保留狀態(tài)，并在致動(dòng)器內(nèi)部積累，從而防止致動(dòng)器完全回到其初始位置，以避免影響下一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果。每次實(shí)驗(yàn)后，極性都會(huì)被逆轉(zhuǎn)，并等待一分鐘來(lái)緩解電荷保留。
動(dòng)圖 5 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
單個(gè)驅(qū)動(dòng)器總價(jià)不到5毛錢
軟致靜電彎曲執(zhí)行器的設(shè)計(jì)靈感，來(lái)自液壓放大的自修復(fù)靜電致動(dòng)器的靜電跳躍，以及由介電彈性體執(zhí)行器的預(yù)變形框架引起的周期性馬鞍形彎曲。
在設(shè)計(jì)過程中，陳銳專門建立了力學(xué)分析模型、以及介質(zhì)液體重心運(yùn)動(dòng)等效模型，借此可對(duì)驅(qū)動(dòng)器尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。
由于機(jī)器人使用特殊的液體空氣布局、以及邊緣固定預(yù)彎曲框架，借此可實(shí)現(xiàn)快速連續(xù)前進(jìn)和轉(zhuǎn)向跳躍運(yùn)動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)各向異性液體流動(dòng)周期性的彎曲，因此可彌補(bǔ)液壓放大的自修復(fù)靜電執(zhí)行器的限制。
動(dòng)圖 6 | 無(wú)腿軟體機(jī)器人（來(lái)源：Nature Communications）
此次單體機(jī)器人的頭部液體腔和尾部空氣腔并不對(duì)稱，這是該團(tuán)隊(duì)專門設(shè)計(jì)的，只有這樣才能實(shí)現(xiàn)單向運(yùn)動(dòng)。 從當(dāng)前的結(jié)構(gòu)來(lái)說，尾部空氣腔主要用于減重和平衡，如果簡(jiǎn)單將結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)稱，會(huì)造成跳躍性能的下降。
相比三聚氰胺板材料或人工肌肉，此次使用的材料主要有兩方面優(yōu)勢(shì)： 一是驅(qū)動(dòng)效率比較高、響應(yīng)速度很快，特別適合開展結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的一體化設(shè)計(jì)； 二是成本比較低，單個(gè)驅(qū)動(dòng)器的總價(jià)不到 5毛錢。
目前，在小于 8HZ 的低頻狀態(tài)下，陳銳主要利用最優(yōu)運(yùn)動(dòng)頻率，來(lái)實(shí)現(xiàn)最具效率的前進(jìn)跳躍方式。 而在 8HZ 以上的高頻狀態(tài)下，機(jī)器人可呈現(xiàn)出慢速爬行的姿態(tài)，這一運(yùn)動(dòng)模式能讓它做出比較緊密和精細(xì)的位置移動(dòng)。
陳銳坦言： “其實(shí)我們并不需要追求兩種模式運(yùn)動(dòng)的一致性，反而能很好地綜合利用這兩種不同的運(yùn)動(dòng)形式。 ”
而在制備機(jī)器人時(shí)，有時(shí)會(huì)遇到驅(qū)動(dòng)特性不一致的問題，畢竟是手工制作，很難保證所有參數(shù)和環(huán)境條件絕對(duì)一致。 因此，陳銳主要通過量化制作參數(shù)，來(lái)盡可能地保證機(jī)器人的一致性。 此外在實(shí)際測(cè)試中，可通過調(diào)整控制策略，去消除掉輕微的運(yùn)動(dòng)差異。
（來(lái)源：Nature Communications）
可用于檢測(cè)紫外線變化
通過安裝光溫傳感器、以及光致變色染料等，機(jī)器人可用于檢測(cè)溫度和紫外線等環(huán)境變化。
通過集成其他傳感器，它有望檢測(cè)到更多的環(huán)境因素，比如工業(yè)環(huán)境和民用建筑中的污染物。
如果給這種形狀的軟體機(jī)器人涂上防水材料，再通上高頻電壓的話，理論上有望通過搖擺運(yùn)動(dòng)在水里游泳。這也正是陳銳正在開展的研究方向，他希望把這種驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用在水下機(jī)器人，借助搖擺和撲動(dòng)實(shí)現(xiàn)類似于魚類一樣的運(yùn)動(dòng)。
投稿過程一波三折
實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)機(jī)器人第一次展現(xiàn)出優(yōu)秀跳躍性能時(shí)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)都大受鼓舞。因?yàn)橄啾却饲罢{(diào)研的機(jī)器人樣機(jī)，他們終于看到了自己團(tuán)隊(duì)制備的機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)。
在論文的投稿過程中，也經(jīng)歷了一波三折，很多審稿人提出了寶貴意見，他們也前后修改多次，還補(bǔ)了很多實(shí)驗(yàn)，過程雖然煎熬但也讓團(tuán)隊(duì)成長(zhǎng)了不少。
目前，陳銳已經(jīng)確定了后續(xù)研究計(jì)劃，屆時(shí)將主要圍繞兩方面：一是進(jìn)一步優(yōu)化新型電液驅(qū)動(dòng)方式的性能，比如如何實(shí)現(xiàn)無(wú)系留作業(yè)，即讓驅(qū)動(dòng)器或機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自供電；二是進(jìn)一步拓展這種驅(qū)動(dòng)方式的應(yīng)用領(lǐng)域。
未來(lái)，他希望在解決掉工程化問題的基礎(chǔ)上，將這種驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用在更多軟體機(jī)器人上。
具體來(lái)說，未來(lái)陳銳將研究機(jī)器人的可擴(kuò)展性、以及參數(shù)優(yōu)化，從而讓軟致靜電彎曲執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)更好的跳躍性能，他還將開發(fā)出無(wú)系留無(wú)腿軟跳機(jī)器人以及相關(guān)應(yīng)用程序。
