快速奔跑軟機(jī)器人可通過巧妙利用雙穩(wěn)態(tài)間實現(xiàn)快速跳轉(zhuǎn)

5月9日消息，北卡州立大學(xué)（NCSU）尹杰教授團(tuán)隊和科羅拉多州立大學(xué)（CSU）趙建國教授以及紐約市立大學(xué)（CCNY）蘇浩教授團(tuán)隊合作，通過巧妙利用雙穩(wěn)態(tài)間的快速跳轉(zhuǎn)（snap-through bistability），實現(xiàn)了可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機(jī)器人。身長約7厘米重量約50克，其速度可達(dá)每秒2.7個身長（187.5mm/s）。同時該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制有多方面用途，既可以實現(xiàn)水下軟機(jī)器人的快速游動，速度可達(dá)每秒0.8個身長（117mm/s）；又可以用于可調(diào)節(jié)抓力的軟機(jī)器人抓手（可抓取易碎的生雞蛋也可提起重達(dá)10公斤的啞鈴）。

北京時間5月9日，論文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance： Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”為題發(fā)表在Science Advances上。

軟機(jī)器人通常由比人體肌肉還要柔軟的軟材料制造而成 ，通過控制其柔軟身體的變形來模仿自然界中各種軟體動物的運動，比如毛毛蟲，蛇、魚以及水母等。和剛性機(jī)器人相比，軟機(jī)器人在柔性、靈活性、以及安全性等方面都具有優(yōu)勢。但是同時，柔性材料也帶來了一些天然缺陷，比如響應(yīng)慢及力量小等，因此大多數(shù)軟機(jī)器人運動速度較為緩慢，介于每秒0.02至0.8個身長（自身身體長度）。自然界中蝸牛的爬行速度為每秒0.1-0.2個身長，而獵豹的速度為每秒16個身長。如何讓軟機(jī)器人也能高速跑起來成為了一個亟待解決的問題。

圖1：（a）柔性脊背軟機(jī)器人來模擬獵豹在高速運動中脊背的彎曲以及伸展。（b）雙穩(wěn)態(tài)軟機(jī)器人設(shè)計圖 。（c）雙穩(wěn)態(tài)能量圖。

獵豹的脊背柔軟且富有彈性，通過拉伸背部肌肉來控制脊背的快速彎曲以及伸長，來實現(xiàn)高速奔跑（圖1a）。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊設(shè)計了柔性脊背軟機(jī)器人（圖1b），脊背的變形由軟“身體”-氣動軟驅(qū)動器-來驅(qū)動。該驅(qū)動器有上下兩層氣道，在充氣加壓后可以雙向彎曲，從而帶動脊背的上下彎曲變形。為了實現(xiàn)脊背的快速運動，研究團(tuán)隊給脊背裝上了“肌肉”-預(yù)拉伸彈簧（圖1b）-來存儲能量，使其變身成為一個雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)（圖1c）：背部向上彎或向下彎代表兩種穩(wěn)定狀態(tài)；背部變直時，為失穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)來回擺動“身體”時，“肌肉”中的能量得以儲存和快速釋放，柔性脊背在雙穩(wěn)態(tài)間來回突跳，從而實現(xiàn)類似獵豹脊背的快速運動。團(tuán)隊將此機(jī)器人命名為LEAP高性能軟機(jī)器人。

圖2：（a）類似獵豹奔騰姿態(tài)（b）單穩(wěn)態(tài)無脊背軟機(jī)器人與雙穩(wěn)態(tài)脊背軟機(jī)器人（LEAP）速度對比（c）LEAP軟機(jī)器人與各種機(jī)器人與動物的速度體重對比圖。（d）LEAP軟機(jī)器人爬坡

快速水下軟機(jī)器人：當(dāng)給軟驅(qū)動器身后加裝一個柔性尾巴，通過左右擺動身體，可以模擬魚的游動（圖3a-3b）。以往研究表明，驅(qū)動頻率越高，軟機(jī)器人游動速度越快，在5Hz的驅(qū)動頻率下，最快速度可達(dá)0.7身長/秒（圖3c）。該研究顯示即使在低頻驅(qū)動下（比如約1.3Hz），雙穩(wěn)態(tài)間的快速突跳使其速度也可高達(dá)每秒0.78個身長（圖3c）。

圖3.（a）LEAP水下軟機(jī)器人示意圖。（b）單穩(wěn)態(tài) 與雙穩(wěn)態(tài)軟機(jī)器人速度比較。（c）LEAP水下軟機(jī)器人與其它報道水下軟機(jī)器人速度驅(qū)動頻率對比。（d）可調(diào)節(jié)抓力機(jī)械手

變剛度機(jī)器人抓手：通過實時調(diào)節(jié)彈簧中的拉力，機(jī)械手的剛度也可以隨之改變?；诖?，該團(tuán)隊展示了可以實時改變抓力的機(jī)械手。機(jī)械手既可以抓取易碎的雞蛋，又可以抓取不規(guī)則形狀線圈，礦泉水，以及直接抓取啞鈴等（圖3d）。

該工作利用失穩(wěn)原理來加快軟材料的響應(yīng)，理論上該原理也可以推廣到其它雙穩(wěn)態(tài)以及多穩(wěn)態(tài)軟機(jī)構(gòu)，以及更小尺度和活性材料驅(qū)動器比如液晶彈性體，水凝膠，形狀記憶聚合物和電介質(zhì)彈性體等。驅(qū)動原理將不限于氣壓或水壓，可推廣至相應(yīng)的外部刺激比如溫度、pH、光、電場以及磁場等自主軟機(jī)器人。

團(tuán)隊簡介

該工作由北卡州立大學(xué)尹杰團(tuán)隊主導(dǎo)，與科羅拉多州立大學(xué)（CSU）趙建國教授、紐約市立大學(xué)（CCNY）蘇浩教授以及天普大學(xué)（Temple）Andrew Spence教授團(tuán)隊合作完成。通訊作者為尹杰教授。該工作第一作者是尹杰團(tuán)隊的唐一超博士，其它作者有尹杰團(tuán)隊博士生赤銀鼎，科羅拉多州立大學(xué)Sun Jiefeng，紐約市立大學(xué)Huang Tzu-Hao和天普大學(xué)Maghsoudi Omid。

尹杰團(tuán)隊目前致力于機(jī)械超材料，軟體機(jī)器人，以及多功能界面材料的研究。

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