加利福尼亞大學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器人的方法。他們通過制造柔軟的管狀致動器來實現(xiàn)這一進步，該致動器的運動受到電氣控制，使其易于與小型電子元件集成。
作為概念驗證，工程師使用這些新的執(zhí)行器構(gòu)建了一個柔軟的電池供電的機器人，該機器人可以不受約束地在平坦的表面上行走并移動物體，他們還建造了一個柔軟的抓手，可以抓取小物件。
這個不受限制的軟機器人由電氣控制，具備四個軟管狀執(zhí)行器，一個微控制器和一個電池組成，可以對機器人進行編程以步行或搬運物體。該團隊由加州大學圣地亞哥分校機械和航空工程學教授蔡勝強領(lǐng)導，于10月11日在《科學進展》上發(fā)表了這項研究。
圖片來源：David Baillot /加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院
大多數(shù)軟執(zhí)行器的問題在于它們具有龐大的設(shè)置。那是因為它們的運動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，在當前的研究中，加州大學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。”
用于軟機器人設(shè)備中的電控，軟管狀致動器的視頻。圖源：何其光
致動器由用于機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)絡中的液晶分子組成。這些材料的獨特之處在于，它們可以響應熱或電等刺激而改變形狀，移動和收縮，這與肌肉響應神經(jīng)細胞信號的收縮方式相似。
為了構(gòu)造每個執(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，進行預拉伸并暴露在紫外線下?？梢元毩⒖刂泼織l加熱絲，以使管子在六個不同的方向上彎曲。當電流通過一根或兩根電線時，它會加熱管子的一部分并使其向那些電線的方向彎曲。當電流通過所有三根導線傳輸時，整個管子會收縮，從而縮短長度。關(guān)閉電源后，燈管會慢慢冷卻并恢復其原始形狀。
可以對機器人進行編程以步行或搬運物體。
圖片來源：David Baillot /加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院
機械和航空航天工程博士學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管狀致動器的位置進行編程。” 加州大學圣地亞哥分校雅各布斯工程學院的學生。
將多個執(zhí)行器結(jié)合在一起使工程師能夠構(gòu)建不同類型的軟機器人。他們使用四個執(zhí)行器作為支腿，建立了一個不受束縛的行走機器人。該機器人由板上的小型鋰/聚合物電池供電。他們還使用三個執(zhí)行器作為手指構(gòu)建了一個柔軟的抓手。
取決于電加熱的電熱絲（紅色），軟管狀致動器可以在六個不同的方向上彎曲（外圖），并在長度上收縮（中心圖）。信用：何其光
每個機器人都有一個板載微控制器，工程師可以在其中為執(zhí)行器編程一系列電控運動，這使機器人可以獨立移動。該團隊現(xiàn)在正在研究可以更快移動的軟執(zhí)行器。當前的執(zhí)行器需要大約30秒鐘才能完全彎曲和收縮，最多需要4分鐘才能恢復其原始形狀。那是因為材料要花一些時間才能完全加熱和冷卻。他說，最終目標是使執(zhí)行器能夠像人的肌肉一樣快速收縮和放松。
