Advanced Intelligent Systems:简化软机器人执行器的设计

在过去的十年中,人们愈发关注开发模仿自然的软机器人,使其更安全并且更加适合现实世界。软机器人有望在可变的自由度下工作,从而能够与未知物体和环境实现更有效的交互。

但是,软机器人的固有的柔韧性使它们很难在周围的表面上施加压力或承受机械载荷。为了解决这个问题,研究人员正在研发新的技术,用于控制和调整软机器人的刚度。

如今,这些技术已得到广泛的应用,以增强软执行器的抓握能力,或在可穿戴设备中提供物理反馈。可变刚度还用于医疗设备中,例如微创导管和康复设备,以便将设备锁定为特定形状以控制自由度的变化。但是,“刚度调整技术”的架构和制造很复杂,使得工艺耗时很长,且设计的灵活性和适用性有限。

最近发表在《Advanced Intelligent Systems》期刊上的一篇文章中,洛桑联邦理工学院(瑞士),北卡罗来纳州立大学(美国)和电通信大学(东京)的研究人员介绍了一种新颖的可变刚度软执行器,其具有三明治结构,由以下三层组成:软电极、介电层和由镓制成的可变刚度电极(DOI:10.1002/aisy.202000069)。

一层高顺应性的电极(碳导电脂)从一侧贴在弹性体介电层上,且不会限制聚合物的运动。第三层则从另一侧贴在聚合物层的表面,它看上去像是由镓制成的蛇形,被封装在丙烯酸膜中。

镓在低温下会在固态和液态之间发生相变,其相变温度几乎处于人体体温的边界。在两个电极上施加电动势(从一侧的高顺应性碳导电脂到另一侧的蛇形镓电极),就会产生一个相互吸引的静电力,使弹性体介电层的厚度收缩,面积扩大。在目前的设计中,镓被用作电极层,同时也可以加热镓金属的纹路来改变执行器的刚度。使用共用电极进行静电致动的同时,刚度也可以改变,从而使该装置同时具有两种技术的优点。

通过使用双面胶膜,不需要额外的预处理就可以轻松地实现粘合,从而简化了逐层制造工艺。采用激光切割机的雕刻模式,在胶膜表面制造了液态镓的纹路。与其他静电致动的可变刚度执行器相比,该装置显示出更显著的刚度变化和致动性能。

通过这种最容易实现刚度调节的方法,可以将制备的电极应用于不同的领域。除了机器人技术中的夹具外,这种电极还可以用作航空航天中的可变刚度涡轮叶片。此外,这种紧凑的结构还为触觉和可穿戴设备带来了新的机遇。