近期，天津大學(xué)化工學(xué)院張雷教授課題組、機(jī)械學(xué)院陳焱教授課題組通過交叉學(xué)科的合作，利用瓊脂糖薄膜的濕度敏感特性，研究出了一種可以在恒定濕度環(huán)境下快速滾動的軟體機(jī)器人——Hydrollbot，直線運(yùn)動速度達(dá)到0.714 BL/s，將恒定濕度驅(qū)動的機(jī)器人速度提高了兩個數(shù)量級，高于已報(bào)道的變濕度響應(yīng)機(jī)器人，同時能夠負(fù)載自身重量的100%，并且實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動軌跡的編程設(shè)計(jì)，相關(guān)研究成果以“A Humidity-powered Soft Robot with Fast Rolling Locomotion”為題在線發(fā)表在 Research上 。

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由環(huán)境驅(qū)動的軟體機(jī)器人能夠?qū)Νh(huán)境中的光、熱、化學(xué)物質(zhì)、磁場、濕度等刺激做出反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)特定運(yùn)動與功能，是機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。目前此類軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)中一個重要挑戰(zhàn)是在如何在高度集成機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)、執(zhí)行器和能源的同時，在無人為干預(yù)的恒定外界環(huán)境中實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動以及可編程的運(yùn)動軌跡。針對這一問題，本項(xiàng)工作基于濕度敏感的瓊脂糖薄膜材料，通過機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)克服了薄膜各向同性和隨機(jī)彎曲的問題，研究出了一種可以在恒定濕度條件下連續(xù)快速運(yùn)動的軟體機(jī)器人Hydrollbot，并實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動軌跡的可編程設(shè)計(jì)。

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作者首先對機(jī)器人的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)（圖1）。通過在薄膜兩側(cè)粘貼PET條帶克服了薄膜的隨機(jī)彎曲問題，實(shí)現(xiàn)了單向彎曲，并通過薄膜兩端的V形PET腳增加了機(jī)器人與基底表面的摩擦力，同時避免了機(jī)器人反向運(yùn)動。

圖1 Hydrollbot的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)器人與濕度環(huán)境接觸后，在吸水產(chǎn)生的彎曲變形以及其自身的重力共同作用下，實(shí)現(xiàn)了在恒定濕度環(huán)境下連續(xù)的快速滾動（圖2）。

圖2 速度為0.714 BL/s 的Hydrollbot的運(yùn)動過程

進(jìn)一步，作者建立了機(jī)器人運(yùn)動的理論分析模型（圖3），發(fā)現(xiàn)了機(jī)器人運(yùn)動速度隨著薄膜長度和濕度的增加而增加，而隨著薄膜厚度和膠帶長度的增加而降低。

圖3 Hydrollbot運(yùn)動的理論分析模型

基于理論模型優(yōu)化后的機(jī)器人的重量僅為6.8 mg，而直線滾動速度達(dá)到0.714 BL/s，超過目前報(bào)道的所有濕度響應(yīng)軟體機(jī)器人（圖4），并領(lǐng)先于目前大多數(shù)環(huán)境驅(qū)動的軟體機(jī)器人。此外，Hydrollbot還能夠攜帶自身重量100%的有效載荷運(yùn)動（圖5）。

圖4 多種軟體機(jī)器人速度與質(zhì)量的關(guān)系圖

圖5 Hydrollbot100%自重負(fù)載下的運(yùn)動過程

最后，作者通過改變Hydrollbot機(jī)器人結(jié)構(gòu)的幾何形狀和腳的位置調(diào)控機(jī)器人的滾動方向，通過調(diào)整PET條帶的相對位置控制薄膜的彎曲方向，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動軌跡的多種簡單編程（圖6）。

圖6 四種具有不同運(yùn)動軌跡的Hydrollbots

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此項(xiàng)工作為環(huán)境驅(qū)動軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了多學(xué)科交叉研究的新思路，有望推動濕度驅(qū)動軟體機(jī)器人在醫(yī)療、傳感、驅(qū)動等方面的應(yīng)用。未來的研究將通過創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多種刺激敏感的新材料相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性、智能性與可靠性。

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張雷教授現(xiàn)任天津大學(xué)化工學(xué)院生物化工系教授，國家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學(xué)、低溫保護(hù)、功能材料、海洋涂料等。在包括 Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, AIChE Journal， CES等期刊發(fā)表論文100多篇。

陳焱教授現(xiàn)任天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授，國家自然科學(xué)基金杰出青年基金獲得者。主要研究方向包括機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、折展結(jié)構(gòu)、超材料等的基礎(chǔ)理論及其在航空航天結(jié)構(gòu)、機(jī)器人、醫(yī)療微結(jié)構(gòu)中的工程應(yīng)用。代表性論文發(fā)表在 Science、PNAS等頂級期刊上。

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內(nèi)容來源 / 微信公號“Research科學(xué)研究”

底圖設(shè)計(jì) / 王英文博

審核 / 王鑫 李晉馥 董玥欣

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