北京大學(xué)謝廣明團(tuán)隊(duì)《Adv. Mater. Technol.》：3D打印仿生軟體兩棲機(jī)器人

來(lái)源：高分子科技

由于兩棲機(jī)器人可以使用相同的系統(tǒng)在陸地和水中移動(dòng),，因此對(duì)安全,、工業(yè)、國(guó)防和交通運(yùn)輸產(chǎn)生了重大影響,。與使用螺旋槳、輪子或履帶的傳統(tǒng)兩棲機(jī)器人相比,，仿生兩棲機(jī)器人可以進(jìn)行更好的偽裝,。而軟體機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)類似肌肉的驅(qū)動(dòng)，更準(zhǔn)確地模擬軟生物的行為,。但是對(duì)于軟體兩棲機(jī)器人來(lái)說(shuō),，能否實(shí)現(xiàn)多地形適應(yīng)和自主兩棲登陸是其面臨的最大挑戰(zhàn)。

近日,，北京大學(xué)謝廣明教授課題組研發(fā)了一種3D打印的仿生兩棲機(jī)器人,，可以實(shí)現(xiàn)在各種地面條件（如丘陵地形、斷裂面,、光滑斜坡,、石子路、沙灘,、泥濘地形和水面）上運(yùn)動(dòng),，甚至可以進(jìn)行兩棲登陸。   

烏龜通過(guò)四只腳的交替抬起,，以匍匐運(yùn)動(dòng)的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng),。轉(zhuǎn)彎時(shí)，以一條腿為軸不動(dòng),，其他三只腿移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎,。烏龜在運(yùn)動(dòng)時(shí)，它的腿經(jīng)歷了從圖 1b 狀態(tài)到圖 1c 的過(guò)渡,。受此啟發(fā),，本研究設(shè)計(jì)了一條仿生腿。如圖 1d 和 1e 所示,，仿生腿由兩個(gè)垂直的氣囊組成,，氣囊之間的連接充當(dāng)仿生關(guān)節(jié)。仿生腿可以通過(guò)單一的驅(qū)動(dòng)壓力輸入成功實(shí)現(xiàn)3D運(yùn)動(dòng)（圖2）。

圖 1. 受烏龜啟發(fā)的仿生腿和軟體兩棲機(jī)器人的設(shè)計(jì),。

圖 2. 仿生腿運(yùn)動(dòng)示意圖,。

仿生腿的設(shè)計(jì)與制造，為制造經(jīng)典氣動(dòng)致動(dòng)器提供了一個(gè)新思路：通過(guò)內(nèi)部預(yù)先設(shè)計(jì)支撐,，以實(shí)現(xiàn)軟材料進(jìn)行3D打�,。▎沃环律�腿的成本不到人民��1元）。并且支撐的存在也限制了充氣后致動(dòng)器的膨脹,，實(shí)現(xiàn)了更大的彎曲,。此外，仿生腿只需一個(gè)輸入口即可實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)進(jìn)行移動(dòng)和跨越障礙,。由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人腿需要兩個(gè)或多個(gè)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng),，很多軟體機(jī)器人的腿也需要三個(gè)輸入口才可以實(shí)現(xiàn)三維運(yùn)動(dòng)。減少的輸入的數(shù)量也會(huì)減少氣體及能源消耗,，并且提高響應(yīng)速度,。   

通過(guò)對(duì)仿生腿運(yùn)動(dòng)順序的編程，可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)步態(tài),。學(xué)習(xí)烏龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)步態(tài)開發(fā)了直行和轉(zhuǎn)彎步態(tài),，這使得機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)類似于烏龜?shù)倪\(yùn)動(dòng)行為。另外,，外殼的設(shè)計(jì)和制造也可以針對(duì)任何一種烏龜?shù)男螤钭杂稍O(shè)計(jì),，腿部可以被更逼真的硅膠膜覆蓋，以提高生物欺騙性,。

機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)（包括其速度和方向控制能力）是軟體機(jī)器人的基本功能之一,，是評(píng)價(jià)機(jī)器人性能的重要指標(biāo)。迄今為止,，研究的大多數(shù)軟體機(jī)器人的移動(dòng)速度在 0.02 到 0.8 (BL/s) 之間,。本機(jī)器人在剛性地形上具有較快的運(yùn)動(dòng)速度（0.97 BL/s）。軟體機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎能力可以達(dá)到 25.4°/s,，這是大多數(shù)具有超快運(yùn)動(dòng)速度的軟體機(jī)器人所不具備的,。如視頻中展示，在陸地上,，該機(jī)器人展現(xiàn)出了出色的綜合運(yùn)動(dòng)能力,，可以在傳感器感應(yīng)下實(shí)現(xiàn)連續(xù)自主避障。這項(xiàng)測(cè)試展示了機(jī)器人出色的可控性,，其潛在的應(yīng)用包括未知環(huán)境下的自動(dòng)運(yùn)動(dòng)規(guī)劃及自然地形的導(dǎo)航等,。

圖 3.直線運(yùn)動(dòng)模式的演示

圖 4.轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)模式的演示

并且，當(dāng)面臨狹窄通道時(shí),，該機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)彎,。在狹窄通道中執(zhí)行任務(wù)時(shí),，這種機(jī)動(dòng)性是必不可少的。

還設(shè)計(jì)了水中游動(dòng)模態(tài),，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人模仿烏龜?shù)膬蓷�運(yùn)動(dòng)能力,。

綜上， 本成果展示了一種以3D打印方式開發(fā)的低成本軟體兩棲機(jī)器人,，以及其在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力,。與現(xiàn)有的軟體機(jī)器人相比，該軟機(jī)器人具有五個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),。首先,，仿生腿的設(shè)計(jì)與制造為軟材料打印、中空結(jié)構(gòu)制造,、經(jīng)典致動(dòng)器設(shè)計(jì)制造提供了新思路,。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是他們僅使用四個(gè)輸入就完成了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)建模和六個(gè)步態(tài)的開發(fā)。第三,，軟體機(jī)器人出色的承重能力,，顯示了開發(fā)無(wú)纜的機(jī)器人的潛力。第四,，軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。在同類型機(jī)器人中具有最高的地形適應(yīng)性,，并且直線速度最快,，也是具備最快轉(zhuǎn)彎速度的軟體機(jī)器人之一。最后,，其在非人類協(xié)助下進(jìn)行兩棲登陸的能力,，以及對(duì)生物形態(tài)和運(yùn)動(dòng)方式的高度偽裝，顯示出其在搜索,、偵察等軍事領(lǐng)域的巨大應(yīng)用潛力,。   

相關(guān)成果以“A Fully 3D-Printed Tortoise-Inspired Soft Robot with Terrains-Adaptive and Amphibious Landing Capabilities”為題發(fā)表于Advanced Materials Technologies上，文章的第一作者是謝廣明教授課題組的博士生武明信,，共同通訊作者是王晨副研究員和謝廣明教授,。

原文鏈接：https://www.researchgate.net/publication/361560126