传统机器人往往采用电机驱动控制,他们精确有力但却也蕴含危险,动作僵硬。近年机器人的研究热点之一便是科学家们抛弃了传统的电机制造的机器人,开始尝试开发智能材料,来模仿生物肌肉收缩。
多伦多大学“材料科学工程部”的Hani Naguib教授及其小组提出了一种新型的智能材料并制造了一只软体机器人“尺蠖”。这个机器人的外表平平无奇,看起来如同一片黑色的胶带,有着四只铜脚。但你可不能小瞧它,借助神奇的“智能材料”技术,间断性的通电就可以实现尺蠖的爬行运动!
Naguib教授团队发现了一种新颖的方法来对智能材料进行编程,Naguib他的团队将这项技术应用于机器人领域,创造了可以卷曲的“软体”驱动器,该驱动器在12V的电压下可实现540度三维弯曲,并制造了一个软体机器人来模拟尺蠖蠕虫爬行的动作。Naguib教授认为该智能材料还可能被应用于航空,手术以及可穿戴智能设备中。
Hani Naguib团队的研究重点之一是电热执行器(electrothermal actuator,简称ETA),也就是尺蠖机器人身体的黑色部分。这是一种由特殊聚合物制成的材料,在制作过程中,对其材料进行特殊的“编程”,从而使它对外界电或热的变化做出物理响应。例如,可以对ETA进行编程以模仿肌肉反射,在低温时收缩,在高温时会舒张,从而通过控制外界温度变化,就可以实现对于材料的“控制”。
研究成果由Hani Naguib教授及其团队于2019年8月份发表在nature旗下开源综合性期刊“科学报告”(scientific report)上。
尺蠖的四只脚是导电的铜片,通电后可以加热机器人本体。本体基于形状记忆原理在常温下保持弯曲的样子。每每通过路径给它通12V的电压20s,机器人受热会从弯曲状态伸展。20s后停止通电,一段时间后随着热量的消散,它会再次回到最初记忆的弯曲形状。尺蠖的尾巴是硬质的材料,产生阻力从而推动机器人向前,以此反复执行来实现爬行的运动。
文章第一作者博士生Sun解释说:“现有研究基本上是对一块平坦的ETA材料进行编程,因此制作的驱动器的响应只是二维的弯曲运动。”相比之下,他们创造的ETA驱动器有3维的状态。他们使用了一种热致应力松弛和固化方法,为复杂的形状和运动提供了更多可能性。Sun还表示:“我们制作的ETA驱动器相对来说驱动效率也是很大的,要比迄今为止研究文献中所存在的任何驱动器效率更高。”
Naguib在采访中表示,这些可编程的变形软机器人有很高的应用价值,它可以在航空,手术和可穿戴电子产品等领域发挥作用。他提出了一些潜在的其他的应用场景,例如,发生煤气泄漏或火灾,可以为爬行软体机器人配备传感器以测量有害环境。
在未来一年的研究中,Naguib的团队致力于加快“尺蠖”软体机器人的响应速度,并研究一些其他的应用场景。他说:“目前我们已经“训练”这种材料像蠕虫一样运动,我们希望未来可以模仿更多的运动,例如蝴蝶的翅膀。”