微风中的钢琴手:快速响应的气动软体机器人研究取得新进展

软体机器人是由柔性材料制成的驱动器,通常有气体驱动、电力驱动、化学反应驱动等驱动模式,而气动软体机器人由于具有质轻价廉、易组装、易控制等优势而成为研究热点。气体驱动的原理一般是通过充气改变弹性结构空腔的体积,从而实现弯曲等动作,而这种大的体积改变量也带来了相应的局限性:反应速率慢、所需空间大、操作寿命短等。为了解决这些问题,哈佛大学George M. Whitesides等研究人员设计了一种新的气动网络结构,该结构可以适应高速、大幅度的运动,相关结果发表在Advanced Functional Materials上

除了采用计算模拟的方式,该研究团队更通过用简单的商用硅胶制作模型实际测试了这种新设计的几何结构。相比他们之前报道过的一种设计(文中称之为“慢速气动网络”或“简单气动网络”),这种新的“快速气动网络”设计的扩展层的空腔内壁之间有许多断口,并且内壁设计得比外壁薄,因而具有更大的比表面积,在空腔的内压增加时,内壁更容易扩张,减小了外壁上的压力。另外,由于空腔之间相互紧邻,扩张的内壁相互挤压,就导致了扩展层长度方向而非高度方向的优先变化。文章中还对这种设计中维度参数的影响、所用的弹性体材料以及结构的疲劳强度进行了研究,该结构能承受一百万次的循环运动而保持性能稳定。文中也系统的比较了两种设计(“慢速气动网络”与“快速气动网络”)的传质分析、应变-应力分析以及快速响应测试,在该实验条件下“慢速气动网络”进行完全弯曲平均需要3.3秒,而“快速气动网络”只需要130毫秒,经过测试,在头压76千帕下其可承受的极限工作频率为2赫兹。更有趣的是,为了显示其实用性,该研究团队还用这种新型驱动器在电子琴上成功地弹奏出了家喻户晓的《玛丽有一只小羊羔》。

这种“快速气动网络”设计不仅能够提高驱动器的性能,它在不同的充气速率下还能展现出不同的运动形式:低速下呈现均匀的膨胀弯曲;而高速下则前端头先进行弯曲运动,这种速率依赖的运动形式对于更复杂的软体机器人设计也将有重要的意义。文章最后也提到这种设计目前还存在一些问题,如非扩展层在下面时重力作用使得驱动器本身有些弯曲,超过弹性材料弯曲幅度时空腔无法均匀扩张等,而这个问题也可以通过在空腔内壁添加非延展性的限制材料来进行解决。