軟體機器人結(jié)構(gòu)機理與驅(qū)動材料研究綜述
2017-1-12 來源：浙江大學(xué)工程力學(xué)系 作者：李鐵風(fēng) 李國瑞 梁藝鳴 程聽雨楊栩旭黃志
摘要：軟體機器人是一類新型機器人，具有結(jié)構(gòu)柔軟度高，環(huán)境適應(yīng)性好，親和性強，功能多樣等特點，有著十分廣闊的研究和應(yīng)用前景. 智能材料在軟體機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計及實際應(yīng)用中扮演了重要的角色，其特殊的驅(qū)動機制極大拓展了軟體機器人的功能. 介紹了軟體機器人的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，按其應(yīng)用場合及功能總結(jié)了幾種典型的軟體機器人. 從仿生機理的角度，介紹了蠕蟲、彎曲爬行蟲、魚類游動等幾類仿生運動機理以及其相應(yīng)的軟體機器人. 還按不同驅(qū)動類型將軟體機器人歸納為氣動、形狀記憶合金、離子交換聚合物金屬復(fù)合材料、介電高彈體、響應(yīng)水凝膠、化學(xué)燃燒驅(qū)動等類型. 介紹了軟體機器人的制作方法與工藝，分析了目前軟體機器人研究的主要挑戰(zhàn)，提出對未來研究的展望.
關(guān)鍵詞：軟體機器人，智能材料，仿生機理
0.引言
隨著人類生產(chǎn)生活的不斷發(fā)展，機器人學(xué)、自動控制理論的不斷進步，人類對于機器人技術(shù)的需求不斷提升. 在人類不宜涉足的極端和危險的工程環(huán)境中，機器人為人類提供了很大的便利[1]. 傳統(tǒng)的機器人結(jié)構(gòu)通常由電機、活塞、關(guān)節(jié)、鉸鏈等構(gòu)件組裝而成，盡管動力足、功率大、性能成熟，但是也存在很多缺點，例如笨重、安全系數(shù)低、環(huán)境適應(yīng)性差、可靠性低、傳動效率低下、噪聲大等. 自然界生物的柔軟的身體、優(yōu)良的靈活性和強大的環(huán)境適應(yīng)性為機器人的發(fā)展提供了新思路. 軟體機器人以自然界的軟體生物為原型，其軀體主要由可以承受大變形的彈性材料構(gòu)成，可以連續(xù)地變形，具有極高的自由度. 通過模仿軟體動物的運動，這種機器人可以實現(xiàn)蠕動、扭轉(zhuǎn)、爬行、游動等運動形式[2]. 軟體機器人可以根據(jù)實際需要任意地改變自身形狀和尺寸，在更加復(fù)雜的環(huán)境中作業(yè). 此外，相比于傳統(tǒng)的硬質(zhì)機器人，軟體機器人具有更高的安全性和更好的環(huán)境相容性，更加適合服務(wù)業(yè)和醫(yī)療領(lǐng)域. 基于以上優(yōu)點，軟體機器人在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事偵察等領(lǐng)域都有著很好的潛力.
智能材料是指在電、光、熱、催化劑等外界激勵下表現(xiàn)出特有功能響應(yīng)的材料[3-7]. 這些功能響應(yīng)可以是變形、化學(xué)反應(yīng)、熒光等. 近年來，智能材料在機器人領(lǐng)域扮演了重要角色，例如氣動、shapememory alloy (SMA)、ionic polymer metal composite(IPMC)、dielectric elastomer (DE)、響應(yīng)水凝膠機器人等. 目前，智能材料在機器人方面已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用，由智能材料驅(qū)動的軟體機器人具有靈活、體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境適應(yīng)性好、噪聲低等優(yōu)勢.
本文介紹了軟體機器人的研究現(xiàn)狀、結(jié)構(gòu)機理、驅(qū)動類型、結(jié)構(gòu)成型，分析了其中的技術(shù)難點并對未來的研究做出了展望.
1.研究現(xiàn)狀
軟體機器人是一種新型的機器人，是機器人研究的拓展. 軟體機器人具有良好的靈活性、環(huán)境適應(yīng)性，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、軍事探測等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，軟體機器人已經(jīng)成為了機器人領(lǐng)域的研究熱點. 目前，科學(xué)家們對軟體機器人的研究仍處于初步階段. 現(xiàn)有的軟體機器人按照結(jié)構(gòu)機理可分為：(1) 撲翼式[8-14]、擺尾式[15-17]、噴射式水中機器人[18-21]，(2) 蠕動式[22-27]、彎曲爬行機器人[28-33]，(3) 抓取機器人[34-38] 和(4) 跳躍機器人[39-40] 等.2007 年，美國國防部高等研究計劃局(DARPA)提出化學(xué)機器人Chembots 的研究計劃，并由塔夫斯大學(xué)(Tufts University) 承擔(dān). 該化學(xué)機器人結(jié)合了機器人學(xué)和材料化學(xué)，采用軟材料制成，甚至呈現(xiàn)液態(tài)狀，可以自由變形，穿越狹窄的孔隙[41]. 在歐洲委員會的資助下，歐洲5 個國家的研究機構(gòu)成立了“章魚觸手” 項目組. 該項目于2009 年2 月啟動，2013 年完成，主要是開發(fā)軟體水下章魚機器人原型，研究章魚機器人的傳感、驅(qū)動和相應(yīng)的控制方法[42-44]. 塔夫斯大學(xué)Barry A. Trimmer 研究組在DARPA 的資助下研發(fā)的GoQBot 機器人[28] 以彎曲爬行蟲為原型，由形狀記憶合金(SMA) 驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)爬行，翻滾等運動形式. 麻省理工學(xué)院、哈佛大學(xué)和韓國漢城國立大學(xué)合作研發(fā)的Meshworm 機器人[22] 由形狀記憶合金絲驅(qū)動，可以模仿蚯蚓的蠕動. 哈佛大學(xué)的GorgeM. Whitesides 研究組研發(fā)了一系列氣動軟體機器人[23;34-35;45-46]、內(nèi)燃驅(qū)動軟體機器人[39-40]，可以實現(xiàn)爬行、跳躍、抓取等運動形式. 此外還有康奈爾大學(xué)的集可發(fā)光人造皮膚與充氣結(jié)構(gòu)為一體的軟體機器人[24] 等. 日本岡山大學(xué)的仿蝠鲼軟體機器魚也采用氣動的驅(qū)動方式[9]，可以實現(xiàn)直行和轉(zhuǎn)彎. 在響應(yīng)凝膠驅(qū)動方面，日本早稻田大學(xué)采用自震蕩響應(yīng)凝膠研發(fā)了仿生尺蠖[29]，可以在無外界激勵條件下實現(xiàn)周期性伸縮運動. 弗吉尼亞大學(xué)仿生工程實驗研發(fā)的仿生蝠鲼機器魚則用IPMC 驅(qū)動[10]，可以實現(xiàn)多種運動模式.
2.結(jié)構(gòu)機理
軟體動物的結(jié)構(gòu)和運動形式為軟體機器人的設(shè)計提供了很好的參考. 現(xiàn)有的軟體機器人主要分為爬行機器人、游泳機器人、抓取機器人以及跳躍機器人. 其中爬行機器人包括蠕動機器人、彎曲爬行機器人，游泳軟體機器人包括仿生撲翼式軟體機器魚、波動鰭軟體機器魚、擺尾式軟體機器魚、仿生烏賊和仿生水母等，抓取機器人包括抓持式機器人、電吸附式機器人，跳躍機器人有單足跳躍機器人、
多足跳躍機器人等. 本章將對各類不同結(jié)構(gòu)機理的軟體機器人歸納分類.
2.1 蠕蟲和彎曲爬行蟲
蠕蟲的軀體是典型的流體靜力骨骼(hydrostaticskeleton) 結(jié)構(gòu)，由表皮、肌肉、體液和神經(jīng)系統(tǒng)組成.以蚯蚓為例，它的肌肉屬于斜紋肌，肌肉構(gòu)成封閉的體腔，內(nèi)部充滿體液，形成靜水骨骼結(jié)構(gòu). 蚯蚓的肌肉占全身體積的40%，由環(huán)肌和縱肌組成. 當某個體節(jié)縱肌收縮時，該體節(jié)直徑增大，當環(huán)肌收縮時，該體節(jié)的直徑減小，長度增大. 蚯蚓就是通過各個體節(jié)之間的肌肉收縮產(chǎn)生的行進波來實現(xiàn)向前的運動.麻省理工學(xué)院仿生機器人實驗室首先采用SMA 作為驅(qū)動器開發(fā)出仿生蚯蚓機器人Meshworm[22]. 蚯蚓和Meshworm 的身體結(jié)構(gòu)分別如圖1(a) 和圖1(b)所示.
圖1 蚯蚓身體結(jié)構(gòu)和Meshworm
彎曲爬行蟲的軀體結(jié)構(gòu)也屬于流體靜力骨骼結(jié)構(gòu)，其肌肉組織包含斜肌、縱肌以及小塊肌肉，構(gòu)成了復(fù)雜的肌肉組織. 通過控制腳和基底之間的壓力變化和身體的張力，它可以實現(xiàn)向前的爬行運動和穿越障礙. 塔夫斯大學(xué)Barry A. Trimmer 實驗室研發(fā)的仿生毛蟲機器人GoQBot[28]，由SMA 驅(qū)動，能夠?qū)崿F(xiàn)爬行、翻滾等運動形式，彎曲爬行蟲和GoQBot的身體結(jié)構(gòu)分別如圖2(a) 和圖2(b) 所示.
圖2 彎曲爬行蟲和GoQBot
2.2 水中機器人
按照游動方式，水中生物的運動方式可以分為撲翼式(蝠鲼)、尾鰭擺動式以及噴射式(烏賊、水母).擺尾式機器魚通過自身肌肉的交替伸縮實現(xiàn)身體的擺動，從而帶動尾鰭周期性擺動獲取水動力實現(xiàn)推進. 擺尾式魚類以及麻省理工學(xué)院開發(fā)的軟體機器魚[15] 如圖3(a) 和圖3(b) 所示. 典型撲翼式魚為蝠鲼，它們通過胸鰭周期性的撲動實現(xiàn)推進，撲翼魚類以及北京航空航天大學(xué)開發(fā)的仿生機器魚[8] 分別如圖3(c) 和圖3(d) 所示. 水母通過收縮外殼的方式擠壓內(nèi)腔，可以改變自身內(nèi)腔的體積，實現(xiàn)噴水推進. 自然界中的水母與弗吉尼亞理工大學(xué)開發(fā)的SMA 驅(qū)動的軟體機器水母[18] 分別如圖3(e) 和圖3(f)所示.
圖3 水中生物原型和軟體水中機器人
2.3 其他
此外，軟體機器人類型還有跳躍式機器人[39-40]、軟體抓取結(jié)構(gòu)[34-38]、行走機器人[47-48]以及滾動機器人[49] 等. 這幾類機器人的驅(qū)動機制，受到自然界中例如蝗蟲和跳蚤蓄力爆發(fā)跳躍(跳躍式機器人)，章魚多觸手變形抓取(軟體抓取結(jié)構(gòu))，甲殼蟲多足爬行(行走機器人) 等原型啟發(fā). 這些機器人的結(jié)構(gòu)機理與驅(qū)動行為將在下一章中具體介紹.
3.驅(qū)動類型
3.1 氣動軟體機器人
氣動軟體機器人是指通過在結(jié)構(gòu)中充氣，利用氣壓使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形或者運動，從而實現(xiàn)驅(qū)動的一類軟體機器人. 哈佛大學(xué)George M. Whitesides 研究組研發(fā)出了充氣式蠕動軟體機器人[23]，如圖4(a) 所示. 該軟體機器人身長約12.7 cm，通過充氣產(chǎn)生運動，可以穿越障礙，進入狹小空間，并且具備很強的抗沖擊性能. 該團隊還研發(fā)了充氣式驅(qū)動器[45]、抓取機器人[34-35] 等等. 康奈爾大學(xué)的Larson 等[24] 開發(fā)了一種拉伸性能很好且具有電致發(fā)光功能的人造皮膚，并將這種電子皮膚整合到充氣式軟體機器人中，展現(xiàn)了軟體機器人在運動過程中的發(fā)光效果見圖4(b). Brown 等[36] 研發(fā)的球形軟體抓手，通過抽氣改變氣壓的方式實現(xiàn)抓取，如圖4(c) 所示.
日本岡山大學(xué)研發(fā)了氣動軟體機器魚[9]，如圖4(d) 所示. 該機器魚模仿蝠鲼的外形和推進機理. 該機器魚的軀體材料為硅橡膠，體長為150mm，體寬為170mm，通過氣動閥進行驅(qū)動，最大游動速度可達100mm/s. 北京航空航天大學(xué)機器人研究所研發(fā)了一款氣動仿生蝠鲼機器魚[8]. 該機器魚的主體為硅橡膠，翼展560mm，身長320mm，最大游動速度為0.5 倍身長每秒. 氣動機器人具有變形大、運動靈活等優(yōu)點，但是需要面臨氣源、控制等方面的挑戰(zhàn).
圖4 氣動機器人
3.2 形狀記憶合金軟體機器人
形狀記憶合金(SMA) 是一種智能合金材料，在加熱時能夠恢復(fù)原始形狀，消除低溫狀態(tài)下所發(fā)生的變形. 形狀記憶合金的熱力耦合行為源于材料本身的相變，例如熱彈性馬氏體相變. 在形狀記憶合金中存在兩種相，高溫相奧氏體相和低溫相馬氏體相.馬氏體一旦形成，就會隨著溫度下降而繼續(xù)生長，如果溫度上升它又會減少，以完全相反的過程消失.兩項自由能之差作為相變驅(qū)動力，兩項自由能相等的溫度T0 稱為平衡溫度. 只有當溫度低于平衡溫度T0 時才會產(chǎn)生馬氏體相變，反之，只有當溫度高于平衡溫度T0 時才會發(fā)生逆相變. 在SMA 中，馬氏體相變不僅由溫度引起，也可以由應(yīng)力引起，這種由應(yīng)力引起的馬氏體相變叫做應(yīng)力誘發(fā)馬氏體相變，且相變溫度同應(yīng)力正相關(guān). 形狀記憶合金可以用于智能材料驅(qū)動器中.
Menciassi 等[25] 首先將SMA 驅(qū)動器應(yīng)用于蠕蟲的仿生機器人中，如圖5(a) 所示. Menciassi 參考了蚯蚓的運動機制，將SMA 彈簧嵌入硅橡膠外殼中并串聯(lián)成竹節(jié)狀，配置好各節(jié)的驅(qū)動電流，運動速度可達0.22mm/s. 模仿生物爬行的軟體機器人還有Du 等研發(fā)的3 種模式運動機器人[30]，GoQBot 機器人[28]，Meshworm 機器人[22]. Kim 等[11] 研發(fā)了一種通過SMA 驅(qū)動的仿生海龜，如圖5(b) 所示. 它的最高游動速度為22.8mm/s. 此外，該研究組研發(fā)了一
圖5 SMA 驅(qū)動機器人
款新型的SMA 仿生龜[12]，其最大游動速度為11.5 cm/s. Wang 等[16] 設(shè)計了一種SMA 驅(qū)動的柔性鰭單元，如圖5(c) 所示，并將其應(yīng)用于仿蝠鲼機器人[13] 中，如圖5(d) 所示. 文獻[18-19] 模仿水母的運動，制作了可做沉浮運動的水下機器人. 此外，SMA還被應(yīng)用于攀爬機器人[31]，仿生飛行器[50-51]，機器人面部表情驅(qū)動[52-53] 等.形狀記憶合金驅(qū)動的機器人具有大驅(qū)動力、大驅(qū)動位移等優(yōu)點，但是也存在溫度難以控制、驅(qū)動頻率低等問題.
3.3 IPMC 軟體機器人
IPMC 的全稱是離子交換聚合物金屬復(fù)合材料，是一種電致變形的智能材料(離子型). IPMC 材料由Nafion 鋰子交換薄膜和電極組成. 在含水狀態(tài)下，聚合物薄膜中的陽離子(例如鈉離子和鈣離子)可以自由移動，陰離子固定在碳鏈中不能移動. 在IPMC 電極的兩端施加上電壓時，在電極之間會產(chǎn)生電場. 在電場的作用下，水合的陽離子向負極移動，而陰離子的位置固定不變. 從而導(dǎo)致IPMC 的負極溶脹，正極收縮而導(dǎo)致IPMC 彎曲變形.IPMC 具有變形靈活、可重復(fù)，大位移，低電壓驅(qū)動，響應(yīng)速度快等特點. 基于IPMC 的這些特點，可以廣泛地用于智能材料機器人的驅(qū)動器中，尤其適用于水環(huán)境機器人，如仿生機器魚、機器水母等.
Hubbard 等[14] 將IPMC 應(yīng)用于仿生機器魚中，用于驅(qū)動機器魚的胸鰭和尾鰭. 該機器魚的最大游動速度為28mm/s，如圖6(a) 所示. Shen 等[17] 模仿鯨魚的游動方式，使用IPMC 尾鰭研發(fā)了一款仿生機器魚，并研究了其水動力性能，如圖6(b) 所示. 弗吉尼亞大學(xué)仿生工程實驗室研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動的仿生蝠鲼機器魚[10]，如圖6(c) 所示. 該機器魚的胸鰭由兩側(cè)的4 根IPMC 鰭條驅(qū)動，身長80mm，翼展180mm，最大游動速度為4.2mm/s. 弗吉尼亞理工大學(xué)將IPMC 驅(qū)動器嵌入聚烯烴薄膜中，開發(fā)出透明軟體水母[20]，如圖6(d) 所示. 該水母的直徑為164mm，高為50mm，重量為11 g，游動速度為1.5mm/s. 此外，伊朗沙力夫理工大學(xué)研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動的滾動機器人[49]，如圖6(e) 所示. 德克薩斯A&M 大學(xué)研發(fā)了一款I(lǐng)PMC 驅(qū)動的行走機器人[47]，如圖6(f) 所示. IPMC 驅(qū)動的機器人具有大輸出位移、運動靈活等優(yōu)點，而其主要不足有輸出力較小，響應(yīng)頻率低、材料需要液體環(huán)境等.
圖6 IPMC 機器人
3.4 介電高彈體軟體機器人
介電高彈體(DE) 是一種典型的電致變形智能軟材料(電子型). 聚丙烯酸類材料是一種典型的介電高彈體材料，在介電高彈體薄膜的兩側(cè)覆蓋柔性電極，并施加驅(qū)動電壓時，介電高彈體薄膜在電場力的作用下產(chǎn)生變形，導(dǎo)致厚度減小，面積擴張. 介電高彈體具有彈性模量低、質(zhì)輕、能量密度大、響應(yīng)速度快的優(yōu)點. 介電高彈體可用于軟體機器人驅(qū)動、柔性傳感器、智能穿戴設(shè)備以及能量采集等.浙江大學(xué)工程力學(xué)系、浙江省軟體機器人與智能器件研究重點實驗室研究組基于介電高彈體的力電耦合特性，通過利用力電失穩(wěn)實現(xiàn)了材料的極大電致變形[54]，并可振動調(diào)頻，能用于智能結(jié)構(gòu)的驅(qū)動[55].此外，該研究小組還參考了彎曲爬行蟲，海星等無脊椎動物，研發(fā)了一種小型的智能結(jié)構(gòu)[32]，如圖7(a) 所示. 以該結(jié)構(gòu)作為基本模塊，可以制成多種形狀的小型機器人. 在不同的預(yù)拉伸狀態(tài)下以及不同的電壓的驅(qū)動下，這種機器人的運動幅度也會隨之改變. Kofod 基于介電高彈體材料做了三角狀抓手[38]，可以抓起輕質(zhì)的柱狀物體，如圖7(b)所示. Jung 等[26] 以蠕蟲為靈感，做成以介電材料為單元的驅(qū)動器，再以6 個基本單元為一組，做成一個二級的圓形單元，最后這種二級的圓形單元可以連接成任意長度的蠕蟲機器人，可以實現(xiàn)1mm/s的爬行速度，如圖7(c) 所示. Choi 等[56] 將多層介電材料薄膜制成的驅(qū)動器作為基本結(jié)構(gòu)單元，以這種單元為基礎(chǔ)組裝成管狀的智能機器人，如圖7(d)所示. Pei 等[48] 基于介電高彈體材料，做成圓柱形驅(qū)動器單元，并組裝成六足行走機器人或者首尾連接的蠕蟲機器人，如圖7(e) 所示. Zhao 等[57] 研發(fā)了一種撲翼結(jié)構(gòu)，這種馬鞍形狀的介電材料的驅(qū)動器在5 000V，3 Hz 的驅(qū)動電壓下，可以實現(xiàn)大于180。的角度變化，如圖7(f) 所示. 這種撲翼結(jié)構(gòu)也為空中飛行驅(qū)動器提供了一個很好的參考. 此外，Conn 等[27] 研發(fā)了一種結(jié)合氣動與電動并以介電高彈體為材料的蠕蟲機器人. 這種機器人是以介電高彈體薄膜封裝的一個圓筒形結(jié)構(gòu)為單元，并且可以將這些單元連接成不同長度的機器人. 該機器人在充氣后，介電薄膜進入工作狀態(tài)，施加電壓后可以通過底部的運動結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的摩擦力前進. Branz等[58] 研發(fā)了一種以介電高彈體為基本材料的雙
圖7 DE 驅(qū)動機器人
軸機器人，這種機器人在水平x-z 方向和豎直x-y 方向分別有兩個圓柱形的軸，在電的驅(qū)動下，介電薄膜會發(fā)生形變，帶動兩個軸運動，從而實現(xiàn)前進. Shintake等[37] 開發(fā)了一種電吸附式的介電高彈體軟體抓手，可以抓起82.1 g 的物體. 介電高彈體機器人具有大驅(qū)動力、大驅(qū)動位移等優(yōu)點，但也面臨著驅(qū)動電壓高等挑戰(zhàn).
3.5 響應(yīng)水凝膠軟體機器人
水凝膠是由親水性的功能高分子，通過物理或化學(xué)作用交聯(lián)形成三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，吸水溶脹而形成.響應(yīng)水凝膠指能夠?qū)ν獠凯h(huán)境的變化產(chǎn)生響應(yīng)性變化的水凝膠，如一些水凝膠能因外界溫度、pH 值、光電信號、特殊化學(xué)分子等的微小變化，而產(chǎn)生相應(yīng)的物理結(jié)構(gòu)或化學(xué)結(jié)構(gòu)的變化. 如一類具有低臨界相轉(zhuǎn)變溫度(LCST) 的溫敏水凝膠，其在溫度低于LCST 時，表現(xiàn)為親水性，而高于LCST 時相轉(zhuǎn)變?yōu)槭杷? 水凝膠高分子網(wǎng)絡(luò)的相轉(zhuǎn)變使得水凝膠中的水分大量出入其中(溫度升高縮水，降低吸水)，從而使得水凝膠產(chǎn)生體積等形態(tài)變化. 又例如一類具有對酸堿度敏感的水凝膠，其高分子網(wǎng)絡(luò)中含有可電離的陰離子基團(羧基、磺酸基等) 或陽離子基團(氨基等)，外界pH 值的改變影響這些基團的電離情況，使得它們與水分子的結(jié)合情況也發(fā)生相應(yīng)的改變，從而使水凝膠的體積形態(tài)隨著pH 值的改變而發(fā)生變化. 由于智能水凝膠能夠隨外界環(huán)境變化，而產(chǎn)生形變，其可以作為智能驅(qū)動材料應(yīng)用于柔性機器人驅(qū)動等領(lǐng)域[59].
Nakamaru 等[29] 以凝膠為材料，研發(fā)了一種外形簡單，有著類似蠕蟲的運動模式的仿生機器人. 這種機器人在不改變外界驅(qū)動方式和刺激的情況下可以自己通過自震蕩的方式移動，如圖8(a) 所示. Morales等[33] 研發(fā)了一種以水凝膠為基底的片狀驅(qū)動器. 該驅(qū)動器分為兩部分，分別作為機器人的兩只腳，這兩只腳分別為陰離子腳和陽離子腳，通過改變電極的方向使機器人產(chǎn)生不同方向的形變從而使其移動，如圖8(b) 所示. Lee 等[60] 同樣是以水凝膠作為基本材料，以自然界中的捕蠅草為靈感，制備了一種表面具有微流道的微型機器人，可以通過機器人表面的微流道吸水和失水時所產(chǎn)生的表面形變來使其運動.此外，Li 等[20] 用pH 值響應(yīng)水凝膠開發(fā)了一款軟體水母，該水母為磁驅(qū)動. 水凝膠機器人能夠通過自身化學(xué)反應(yīng)實現(xiàn)運動，但是面臨驅(qū)動力小、難以精確控制的挑戰(zhàn).
圖8 水凝膠機器人
3.6 內(nèi)燃軟體機器人
Shepher 等[39] 研究組研發(fā)了一種三角狀的有機彈性體機器人. 該機器人以甲烷與氧氣燃燒反應(yīng)使氣體體積膨脹為驅(qū)動機制，在分別通入純氧和甲烷混合反應(yīng)之后，這種機器人可發(fā)生形變并且跳躍，最高可達到跳離地面300mm (30 倍身高)，如圖9(a)所示. 同樣是以跳躍為運動形式，Bartlett 等[40] 應(yīng)用三維打印技術(shù)制造了一種內(nèi)燃驅(qū)動機器人. 該機器人也是以化學(xué)反應(yīng)放能作為驅(qū)動機制，丁烷和氧氣在一個三角狀的密閉腔室里發(fā)生反應(yīng)，使這個小型機器人跳躍，并且可以通過給底部的腳分別充氣實現(xiàn)定向的跳躍，如圖9(b) 所示. 內(nèi)燃機器人具有驅(qū)動力大，運動幅度大的優(yōu)勢，但是存在著控制難度大的挑戰(zhàn).
圖9 內(nèi)燃機器人
4.結(jié)構(gòu)成型
軟體機器人的制造包括了機器人本體結(jié)構(gòu)制造、驅(qū)動材料制造、柔性電子電路制造. 文獻[2, 61]總結(jié)了軟體機器人的制造工藝，包括了形狀沉積、納米壓印、激光消融、微注射成型、3D 打印等.圖10 為形狀沉積法(shape deposition manufacturing,SDM) 的流程示意圖. Merz 等[62] 早在1994 年就詳述了SDM 的具體實施步驟. 21 世紀初，MarkCutkosky 研究組最早將SDM 應(yīng)用于機器人的結(jié)構(gòu)制造[63]. 運用形狀沉積法，可以把傳感器、電路組件嵌入結(jié)構(gòu)中，制作柔軟的結(jié)構(gòu)并使其具備多種功能.
圖10 SDM 工藝流程圖
介電高彈體驅(qū)動器涉及的主要制造工藝包括聚合物薄膜的制作、薄膜的預(yù)拉伸、電極的集成和封裝等. 如圖11 所示，薄膜可用注模、旋涂、3D 打印制造或使用膠帶(VHB, 3M)，使用掩模、轉(zhuǎn)印或濺射沉積法使電極均勻覆蓋于薄膜兩側(cè). 柔性電極的集成是DE 驅(qū)動器制造的關(guān)鍵步驟. 在可伸展電子系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)發(fā)生變形如拉伸、扭轉(zhuǎn)、折疊時，系統(tǒng)的電力和機械耗散應(yīng)盡可能小. 這就要求電極有一定的柔順度、良好的傳導(dǎo)率甚至特定的外觀. 使用柔性電極在介電高彈體表面制備具有特定形狀的導(dǎo)電區(qū)域，可以實現(xiàn)通過二維平面制造對智能結(jié)構(gòu)三維形狀的驅(qū)動控制[64].
圖11 DE 驅(qū)動器制造流程
Rosset 等[66] 綜述了應(yīng)用于DE 驅(qū)動器的柔性電極及其集成方法. 常用的柔性電極有石墨粉、碳膏、銀納米線等. Keplinger 等[67] 將水凝膠作為電極應(yīng)用于DE 驅(qū)動器制造，制造的驅(qū)動器高度透明. 可運用于對外觀有相關(guān)需求的地方.以Gorge M. Whitesides 為主發(fā)展的軟刻蝕(softlithograph) 技術(shù)[68] 使用彈性模板為微圖案的轉(zhuǎn)移中介，包括了微接觸印刷、近場光刻蝕、納米壓印等. 彈性模板是軟刻蝕技術(shù)的核心元件，聚二甲基硅氧烷是優(yōu)良的制備材料，其具有彈性優(yōu)良和不與其他材料粘連的特點，能實現(xiàn)在曲面上制作圖案. 文獻[23]和文獻[39] 中的軟體機器人制造都采用了軟刻蝕方法.
3D 打印(3D printing) 也可稱為增材制造(additivemanufacturing, AM)，具有數(shù)字制造、直接制造、快速制造等優(yōu)點. 目前已經(jīng)實現(xiàn)商品化的工藝主要有光固化打印、選擇性激光燒結(jié)打印、熔融沉積打印.利用3D 打印已用于制造軟體機器人的軀體[40;69-70].Rossiter 等[71] 采用噴射打印方式，利用UV 光逐層照射固化聚丙烯酸樹脂得到一塊厚度約90 1m 的可驅(qū)動的DE 薄膜. Carrico 等[72] 采用熔融沉積技術(shù)制造了IPMC 薄片(圖12)，并與商用IPMC 進行了性能比較. Peele 等[73] 采用光固化技術(shù)制造了一個氣動模塊.
5.關(guān)鍵技術(shù)與挑戰(zhàn)
表1 和表2 從驅(qū)動方式、結(jié)構(gòu)機理以及研發(fā)機構(gòu)所在地的角度歸納了多種已有的軟體機器人. 軟體機器人的研究目前尚處于起步階段，仍有很多難題需要去解決，包括能源供給、運動學(xué)建模、動作控制及通訊傳感等. 首先，軟體機器人具有極高的自由度，因此在建模與控制方面與傳統(tǒng)的機器人有所不同，難以實現(xiàn)精確建模與控制. 目前，在軟體機器人動力學(xué)建模中，主要通過結(jié)構(gòu)功能分類進行多體離散化，通過將實驗與模型驗證，并充分考慮控制對步態(tài)的影響，從而優(yōu)化機器人構(gòu)造，提升性能[74-76]. 開
圖12 熔融沉積技術(shù)制造IPMC[72]
發(fā)適用于軟體機器人大變形、高自由度等特點的控制策略及建模方法對其基礎(chǔ)研究及實際應(yīng)用非常關(guān)鍵. 其次，軟體機器人的進步在很大程度上依賴高性能的智能軟材料制備及結(jié)構(gòu)成型. 需要研發(fā)高能量密度、高效率、可大變形驅(qū)動、寬頻率驅(qū)動并且易于成型的智能軟材料. 最后，研究開發(fā)面向軟體機器人應(yīng)用的能源供應(yīng)裝置也是其發(fā)展的關(guān)鍵. 例如氣動式軟體機器人、電源以及氣源的質(zhì)量較大，影響了機器人的運動. 例如介電高彈體驅(qū)動的軟體機器人，小型高壓電源的可靠性至關(guān)重要. 軟體機器人的電源要求延展性好、輕質(zhì)、可攜帶.
表1 各類軟體機器人按結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式及研究國家統(tǒng)計表(I)
表2 各類軟體機器人按結(jié)構(gòu)形式、驅(qū)動方式及研究國家統(tǒng)計表(II)
6.展望
由于軟體機器人要求通訊、控制電路等可以承受大變形，因而柔性電子的許多研究成果可以大量應(yīng)用在軟體機器人結(jié)構(gòu)中，提升其性能. 而軟體機器人的研究同時也對柔性電子技術(shù)提出了新的應(yīng)用要求，并開拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域. 軟體機器人因為其復(fù)雜的、軟體化的結(jié)構(gòu)特性，從而十分適合使用三維打印成型技術(shù)制備，同時也為三維打印成型技術(shù)提供了新的應(yīng)用領(lǐng)域.
未來軟體機器人的研究及應(yīng)用，將利用到多個學(xué)科的前沿成果，以實現(xiàn)高柔軟性、多功能化、高親和度等性能特點；利用柔性電子、三維打印等結(jié)構(gòu)與成型技術(shù)，使其易于制造，從而廣泛應(yīng)用于各類工程、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域.
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