中國學(xué)者通過引入智能材料，解決連續(xù)型機器人局部剛度的主動調(diào)控問題

連續(xù)型機器人在城市搜救、微創(chuàng)手術(shù)、雜亂環(huán)境巡檢等特定場景下，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機器人的優(yōu)勢。然而，由于連續(xù)型機器人受結(jié)構(gòu)剛度的均勻性和單一性問題，在變化的曲率相互作用場景中其運動往往受到限制。

(資料圖)

那么，如何實現(xiàn)對連續(xù)型機器人局部剛度的調(diào)控呢？根據(jù)國內(nèi)外研究，通過編程材料/結(jié)構(gòu)的力學(xué)屬性，有望解決因材料均一性引起的彎曲曲率單一的問題。

然而，目前對連續(xù)型機器人局部力學(xué)屬性的調(diào)控多采用預(yù)編程形式，強烈依賴對環(huán)境的先驗信息，限制了此類機器人在復(fù)雜、多變場景中的環(huán)境共融能力。

針對這一局限性，綜合考慮張拉整體結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征，中山大學(xué)/大連理工大學(xué)/南方科技大學(xué)聯(lián)合團隊提出了一種基于低熔點合金的變剛度復(fù)合材料，進(jìn)一步解決了連續(xù)型機器人局部剛度的調(diào)控問題，實現(xiàn)了對預(yù)編程剛度調(diào)控策略的升級改造。

近日，相關(guān)論文以《利用相變材料實現(xiàn)剛度可編程的仿生連續(xù)型機器人》（Bio-inspired continuum robots with programmable stiffness by harnessing phase change materials）為題，發(fā)表在Advanced Materials Technologies上。

中山大學(xué)航空航天學(xué)院博士生張捷為論文的第一作者，南方科技大學(xué)機械與能源工程系劉吉副教授、大連理工大學(xué)工程力學(xué)系彭海軍教授、中山大學(xué)航空航天學(xué)院吳嘉寧副教授為論文共同通訊作者。

圖丨相關(guān)論文（來源：Advanced Materials Technologies）

在該研究中，中山大學(xué)吳嘉寧副教授團隊貢獻(xiàn)了核心思想及相應(yīng)的解決方案，提出了以張拉整體結(jié)構(gòu)作為連續(xù)型機器人構(gòu)型的機構(gòu)框架，并依托大連理工大學(xué)彭海軍教授團隊的力學(xué)分析方法，證明了所提解決方案的有效性。

隨后，基于低熔點合金的相變特性，該團隊制作了一款熱驅(qū)動的可編程智能彈性元件，為解決方案的實現(xiàn)提供了技術(shù)支持。在該彈性元件力學(xué)特性的分析過程中，南方科技大學(xué)劉吉副教授團隊在材料領(lǐng)域豐富的表征經(jīng)驗為本項研究提供了寶貴的建議。

在該研究中，研究團隊通過將低熔點合金（熔點：47℃）注入彈性橡膠管內(nèi)，提出了一種工藝簡易、造價低廉的可編程剛度彈性元件。

由于低熔點合金在室溫情況下呈現(xiàn)出固體特性，該彈性元件處于剛度極大的狀態(tài)；在銅絲加熱產(chǎn)生的焦耳熱作用下，融化的低熔點合金使彈性元件展現(xiàn)出了彈性的特征，能夠產(chǎn)生較大的拉伸變形?；诖耍芯咳藛T使連續(xù)型機器人內(nèi)部彈性元件的主動剛度調(diào)控成為可能。

圖丨可編程彈性元件的制備過程（來源：Advanced Materials Technologies）

為了進(jìn)一步探究這種彈性元件的相關(guān)性能，研究人員分別利用紅外熱成像技術(shù)、拉伸試驗裝置表征該彈性元件的溫度變化及力學(xué)特性，并證明該彈性元件的楊氏模量能夠在 1.79 和 271.62MPa 間切換。

圖丨彈性元件的力學(xué)特性（來源：Advanced Materials Technologies）

基于上述的實驗分析結(jié)果，充分證明了這種彈性元件能夠?qū)崿F(xiàn)剛度的主動編程。隨后，研究人員以張拉整體結(jié)構(gòu)模塊為例，展示了模塊在裝配這種彈性元件之后的各種變形特征。

圖丨張拉整體結(jié)構(gòu)模塊的變形調(diào)控（來源：Advanced Materials Technologies）

課題組成員將 12 個張拉整體結(jié)構(gòu)模塊串聯(lián)形成一個連續(xù)型機器人，并通過控制電流編程彈性元件的楊氏模量，實現(xiàn)了對連續(xù)型機器人局部剛度的主動調(diào)控。

圖丨可編程剛度的連續(xù)型機器人（來源：Advanced Materials Technologies）

最后，該團隊采用型材構(gòu)建了一個迷宮環(huán)境，用于評估這種基于低熔點合金的剛度主動調(diào)控方案的實際應(yīng)用價值。相關(guān)實驗結(jié)果表明，通過采用電流加熱彈性元件的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對局部剛度的有效調(diào)控，進(jìn)而使連續(xù)型機器人能夠按照預(yù)期的形態(tài)與環(huán)境交互。

圖丨可編程剛度的仿生連續(xù)體機器人在 H 型迷宮中的環(huán)境交互性能（來源：Advanced Materials Technologies）

盡管該研究已初步實現(xiàn)了對連續(xù)型機器人局部剛度的主動調(diào)控，但是在剛度調(diào)控的實時性方面仍需要進(jìn)一步提高。

據(jù)悉，在未來的工作中，他們將進(jìn)一步通過結(jié)合先進(jìn)制造模式、智能材料合成等領(lǐng)域，賦予連續(xù)型機器人近似生物附器的精巧運動/操作能力，從而使其在面對復(fù)雜的環(huán)境需求時，能夠智能化地與環(huán)境共融交互。

參考資料：

1.Jie Zhang, Bo Wang, Haohan Chen, Jianing Bai, Zhigang Wu, Ji Liu*, Haijun Peng*, Jianing Wu* Advanced Materials Technologies（2023）. https://doi.org/10.1002/admt.202201616

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