軟機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)工程、手術(shù)輔助、主動(dòng)假肢、偽裝和感知技術(shù)方面引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。研究人員一直在探索如何使用各種外界刺激對(duì)軟機(jī)器人實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，包括壓力、熱量、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和化學(xué)勢(shì)。在各種類型的刺激中，電刺激是最簡(jiǎn)便的刺激之一；該類制動(dòng)器中使用最廣泛的是離子或場(chǎng)激活的電活性聚合物。對(duì)于一般的電刺激致動(dòng)器，離子激活過(guò)程通常在電解質(zhì)環(huán)境中進(jìn)行，而場(chǎng)激活則需要高電壓（>1kV）。另一種類型的電刺激致動(dòng)器，熱雙晶致動(dòng)器，基于兩種材料的熱膨脹系數(shù)不匹配。由于其可編程操作、重量輕、低致動(dòng)電壓、無(wú)電解質(zhì)以及可遠(yuǎn)程操作（例如，通過(guò)無(wú)線充電驅(qū)動(dòng)）等潛力，引起了人們的廣泛關(guān)注。

　　鑒于此，北卡羅來(lái)納州立大學(xué)朱勇教授團(tuán)隊(duì)提出了一種受毛毛蟲啟發(fā)的雙向爬行機(jī)器人，該機(jī)器人具有多種運(yùn)動(dòng)模式，通過(guò)在基于液晶彈性體（LCE）的熱雙晶致動(dòng)器中對(duì)分布式可編程銀納米線（AgNW）加熱器進(jìn)行焦耳加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)對(duì)AgNW的加熱模式進(jìn)行設(shè)計(jì)和可編程加熱，實(shí)現(xiàn)了不同的溫度分布和曲率分布，導(dǎo)致機(jī)器人前端和后端與地面之間的摩擦不同，從而實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)。作者表征了爬行機(jī)器人在正向和反向運(yùn)動(dòng)中的性能，并展示了其通過(guò)狹窄縫隙的能力；還通過(guò)實(shí)驗(yàn)和有限元分析研究了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式、爬行速度和通過(guò)狹窄間隙的能力。該研究以題為“Caterpillar-inspiredsoftcrawlingrobotwithdistributedprogrammablethermalactuation”的論文發(fā)表在最新一期《ScienceAdvances》上，并作為《Science》頭條報(bào)道。

　　毛毛蟲的爬行模式啟發(fā)爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制造

 

　　自然界中的毛毛蟲可進(jìn)行雙向運(yùn)動(dòng)。在向前運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，毛毛蟲在固定前部的同時(shí)收縮一些后部，使尾部向前移動(dòng)，在后部產(chǎn)生一個(gè)特征性的隆起。隨后，它在錨固終端尖端的同時(shí)釋放隆起。整個(gè)軀體再次變平，實(shí)現(xiàn)向前移動(dòng)一步（圖1A）。在反向運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，毛毛蟲將末端固定在地面上，然后身體中部劇烈收縮，使整個(gè)身體向上拱起。然后，在固定前部的同時(shí)，軀體釋放隆起，再次變平并向后移動(dòng)一步（圖1B）。實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵是控制身體彎曲。圖1C和D展示了當(dāng)不同的加熱通道（或模式）被加熱時(shí)，爬行機(jī)器人的正向和反向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)加熱器關(guān)閉時(shí)，彎曲的雙晶片結(jié)構(gòu)的松弛使致動(dòng)器向前或向后完成一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期。

　　

圖1.仿生爬行運(yùn)動(dòng)。

 

　　爬行機(jī)器人的制造過(guò)程如圖2A所示。作者使用導(dǎo)電性優(yōu)異和柔順性良好AgNWs作為加熱元件，嵌入聚二甲基硅氧烷（PDMS）基質(zhì)的表面下方。爬行機(jī)器人是一種雙晶結(jié)構(gòu)，在LCE的頂部層壓了AgNW/PDMS和炭黑（CB）復(fù)合膜。AgNW圖案是通過(guò)在掩模的硅襯底上滴注AgNW溶液來(lái)實(shí)現(xiàn)成型。炭黑粉末摻雜在PDMS前體內(nèi)部以提高熱導(dǎo)率。然后，將液體PDMS/CB復(fù)合物滴在AgNW網(wǎng)絡(luò)的頂部并固化。AgNW網(wǎng)絡(luò)半嵌入PDMS/CB基質(zhì)的表面之下（圖2B）。AgNW/PDMS/CB復(fù)合膜和LCE帶之間的強(qiáng)結(jié)合是通過(guò)等離子體處理和機(jī)械壓力實(shí)現(xiàn)的。

　　
圖2.仿毛蟲爬行機(jī)器人的設(shè)計(jì)和制造。

 

　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式和爬行速度

 

　　該機(jī)器人具有前進(jìn)和后退兩種運(yùn)動(dòng)模式。圖3A展示了機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)致動(dòng)器A（機(jī)器人的左半部）的通道1被激活（正向模式）時(shí)，致動(dòng)器A開始拱起，并導(dǎo)致左端和右端（fA和fB）之間的摩擦競(jìng)爭(zhēng)。由于弧形的不對(duì)稱性，左端向右滑動(dòng)，而右端保持靜止。當(dāng)電源關(guān)閉時(shí)，不對(duì)稱弧形的松弛導(dǎo)致摩擦力fA和fB同時(shí)切換方向，并開始新的競(jìng)爭(zhēng)。這一次，fB首先達(dá)到滑動(dòng)摩擦并開始向右移動(dòng)，而左端被錨定，直到整個(gè)機(jī)器人返回到初始平坦?fàn)顟B(tài)。類似地，圖3B展示了當(dāng)致動(dòng)器A的通道2被激活時(shí)致動(dòng)器A的反向運(yùn)動(dòng)模式。在反向模式下，機(jī)器人的更多中間部分被抬起，在右端和地面之間留下較小的接觸面積。與地面接觸面積的差異導(dǎo)致了相反的摩擦競(jìng)爭(zhēng)結(jié)果。

　　圖3.毛毛蟲機(jī)器人的兩種爬行模式。

 

　　爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度（在正向模式和反向模式下），是施加電流（從5到30mA）和致動(dòng)頻率（從0.064到0.264Hz）的函數(shù)（圖4）。當(dāng)施加的電流增加時(shí)，正向和反向模式的速度都會(huì)增加（圖4，A和B）。然而，就速度與頻率的關(guān)系而言（圖4D），運(yùn)動(dòng)速度首先隨著致動(dòng)頻率的增加而增加，但隨后降低。當(dāng)它達(dá)到最大值時(shí)，頻率的進(jìn)一步增加會(huì)降低運(yùn)動(dòng)速度。這是由于在每個(gè)致動(dòng)循環(huán)期間存在所需的最小加熱和冷卻時(shí)間。當(dāng)致動(dòng)頻率低時(shí)，運(yùn)動(dòng)速度低。然而，當(dāng)頻率過(guò)高時(shí)，在每個(gè)循環(huán)內(nèi)，冷卻時(shí)間太短，爬行機(jī)器人無(wú)法再次變平，甚至加熱時(shí)間不足以達(dá)到目標(biāo)曲率。因此，運(yùn)動(dòng)速度下降。

　　圖4.爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速度。

　　爬行機(jī)器人可穿過(guò)狹窄縫隙

 

　　最后，作者展示了該爬行機(jī)器人可穿過(guò)高度比機(jī)器人低得多的狹小縫隙。圖5A為爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的側(cè)視圖。由于兩個(gè)致動(dòng)器的對(duì)稱性，該致動(dòng)器轉(zhuǎn)換以及模式轉(zhuǎn)換不會(huì)改變整個(gè)裝置的移動(dòng)方向。通過(guò)重疊整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中所有照片，可以觀察到一個(gè)包絡(luò)線輪廓（圖5B中的虛線）。該輪廓可以揭示了爬行機(jī)器人可通過(guò)的障礙物的幾何尺寸。具體地，作者設(shè)置了一個(gè)高度僅為3毫米、長(zhǎng)度為30毫米的受限隧道。通過(guò)結(jié)合兩種運(yùn)動(dòng)模式，機(jī)器人能穿過(guò)該封閉隧道并返回初始位置（圖5D）。這種能通過(guò)小型受限空間向前和向后移動(dòng)的能力在搜索和救援等許多應(yīng)用中具有很大的潛力。

　　圖5.爬行機(jī)器人可穿過(guò)狹窄縫隙。

 

　　小結(jié)：該工作設(shè)計(jì)并制造了一種模仿毛毛蟲、具有雙向運(yùn)動(dòng)能力的高效爬行機(jī)器人。該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為是基于液晶彈性體熱雙晶致動(dòng)器中銀納米線網(wǎng)絡(luò)組成的圖案化柔性加熱器的焦耳熱效應(yīng)。通過(guò)設(shè)計(jì)銀納米線加熱圖案的焦耳熱效應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同致動(dòng)模式的控制。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理是通過(guò)設(shè)計(jì)加熱模式和可編程加熱，實(shí)現(xiàn)不同的溫度和曲率分布，從而引起前端和后端與地面之間的摩擦差異。作者對(duì)運(yùn)動(dòng)模式的摩擦機(jī)理進(jìn)行了有限元分析，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好。為了展示爬行機(jī)器人的潛在應(yīng)用，作者展示了機(jī)器人通過(guò)狹窄縫隙的能力。采用熱響應(yīng)材料的分布式和可編程加熱策略可以為智能和多功能軟機(jī)器人提供前所未有的功能。