基于“穹顶状凸起”结构的多功能柔性机器人

柔性执行器的设计是柔性机器人的关键部分,最近因其在可编程运动,人工肌肉和柔性抓取中的广泛应用而引起了软机器人界极大的研究兴趣。现今,可以实现包括收缩/伸长,扭曲,旋转和弯曲的柔性执行器已经被设计和制造出来。其中,基于双层弯曲的柔性执行器已经被广泛运用于构建功能性柔性机器人,可以实现物体操纵,运动和辅助康复等功能。尽管如此,大多数柔性双层弯曲执行器的变形局限于一个方向上的弯曲,而另一个正交方向保持不弯曲,因此会潜在的限制其应用于某些需要具有非零高斯曲率的情形。当双层结构是圆形时,两层之间的不匹配变形可以导致双层结构变形为一个突起的正高斯曲率的穹顶形状。

美国天普大学机械工程系应用力学与材料实验室尹杰教授和唐一超博士探索了双层“穹顶状凸起”结构在柔性机器人的应用。提出了一种气动的柔性“穹状凸起”执行器,在其内部有嵌入式螺旋状的气腔。当气体导入气腔时,平面的双层圆形结构可以变形为三维的穹顶状结构。该团队探索了双层穹顶状凸起的力学模型,并用它优化了穹状执行器的变形形态。研究发现,通过调整气腔的高度梯度,可以控制穹状执行器的底部腔体积和边缘弯曲角度。在此基础上,该团队设计并制造了可以实现水下移动,抓取,以及可开关粘性的的柔性机器人,展示了其潜在的多功能应用:包括拥有高效运动速率的水下仿生水母软体机器人(运动速度为84厘米/分钟);低能耗的柔性夹具;章鱼式柔性粘合执行器,其可以实现具有超过10 N的粘合力,并且此粘合力可以被开关,以及水陆两栖垂直爬行软体机器人。

该团队相信,穹状变形在柔性机器人中的潜在应用有着巨大的潜力,其功能应该进一步在各个尺度和各个领域被探索和开发。相关论文在线发表在Advanced Materials Technologies (DOI: https://doi.org/10.1002/admt.201800069)上,并于当期作为杂志插页简要介绍。

Speak Your Mind

*