电驱动“Janus”软体液晶机器人的仿生运动

软体机器人是一种模拟软体生物(如蚯蚓,海星,章鱼)运动功能的新型机器人。与传统电机驱动的硬质机器人不同,这类机器人通常由低模量的智能仿生驱动器组成,并能够在外界的刺激(光,电流,热,磁场等)下实现抓取,爬行,扭动等复杂形变。这类新型机器人通常与生物体相似,具有更高的自由度和连续形变的能力,可适应复杂的环境并出色地完成既定任务。因此,软体机器人在感应,探测以及制造领域都广阔的应用前景。目前报道的软体机器人设计相对复杂,同时其能够实现的驱动性行为比较单一。因此,使用简单并高效的方法制备出驱动模式多样并且环境适应力强的软体机器人仍面临诸多挑战。

(a)模仿青虫爬行的波浪形软体机器人。(b)模仿蚯蚓在不同直径的管道蠕动行走的螺旋形软体机器人。(c)能够模拟四肢动物行走的软体机器人。(d)模仿人类双脚交替行走并推动箱子的软体机器人。

为了解决上述问题,加拿大谢布鲁克大学赵越教授团队设计出了一种能模拟青虫爬行,蚯蚓蠕动,哺乳动物四肢行走,以及人类双脚行走并推动货物的多功能“双面神”(Janus)软体液晶机器人。这种新型机器人是由电响应的液晶驱动器组成。该液晶驱动器是由单轴取向的液晶高分子,极细的电阻丝和耐热的聚酰亚胺膜(Kapton)组成的多层结构。当电阻丝接入电路后,产生的焦耳热引起液晶有序-无序的可逆相变,从而使驱动器产生大幅度的可逆宏观形变。同时,通过对驱动器施加外力并热处理,作者发现这种电刺激的软体驱动器的原始形状能够被任意编辑或者重新编辑成特定的复杂三维结构。因此,基于该驱动器制备的简易性,原始形状的可编辑性和电刺激的高度可控性,该液晶驱动器被作者成功开发成新型“Janus”软体机器人。具体来讲,“Janus”软体机器人的基本结构为Kapton分布在同一液晶聚合物膜两端的上下两面;结合所编辑的原始形状,其在均匀的刺激源作用下,两端被同时驱动,但驱动方向或运动模式相反,从而实现两部分可逆地交替运动。这种机器人可以模仿多种生物的运动方式,如被编辑成波浪形的“Janus”机器人可以像毛毛虫一样通过两端交替拱起与伸直向前爬行,而螺旋状“Janus”机器人则可以通过两端交替地形成螺旋和解螺旋来模拟蚯蚓在不同直径的管道中爬行。如果两个驱动器叠成“X”状,并同时控制两个电路,软体机器人的四个部分可以像动物的四肢那样协同运动并爬行。当两个蜷曲的驱动器连接于纸箱上时,可以模拟人类双脚交替行走并将装有货物的箱子向前推动。这种构成简单且运动方式多样的“Janus”软体液晶机器人能够为未来机器人领域的发展提供新的设计思路。相关结果发表在Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201903452)上。