智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 周炎
編輯 | 云鵬
智東西3月24日消息，近日，《Science Advances》雜志刊登了北卡羅來納州立大學（North Carolina State University）研究人員的最新研究成果：一種受到毛毛蟲等軟體動物啟發，而設計出的具有雙向運動的節能爬行機器人。
據悉，這個軟體爬行機器人通過在基于液晶彈性體（liquid crystal elastomer）的熱雙晶驅動器（thermal bimorph actuator）中對分布式、可編程的納米銀線（AgNW）加熱器進行焦耳加熱，最后實現前后運動。除此之外，研究人員還預測和優化了機器人在熱刺激下的局部曲率；研究了爬行速度對雙向驅動方式的影響；最后，研究人員證明了機器人具有通過有限間距障礙物的能力，可用于搜索和救援。
一、熱驅動材料受熱模擬軟體動物運動
軟體爬行機器人在生物醫學工程、手術輔助、感知技術等領域受到廣泛關注。一直以來，人們從動物世界中獲得了很多靈感，也曾有將軟材料和軟體機器人設計相結合的嘗試，例如，章魚、蛇、毛毛蟲等。這些動物具有一些獨特的功能，包括多模態運動（multimodal locomotion）、通過狹窄的間隙、在復雜和非結構化的環境中運動。
研究人員一直探索使用不同的刺激方法來驅動軟體爬行機器人，包括壓力、熱力、電場作用、磁場等。在這些類型的刺激中，電刺激是最簡單的一種，其中電活性聚合物（electrically stimulated actuators）被廣泛使用。對于電活性聚合物來說，離子激活（ionic activation）通常在電解質環境中操作，而場激活需要高電壓，因此電活性聚合物這種方式的使用范圍受到限制。
另一種類型的電刺激制動器——熱雙芯片致動器，因為具有可編程操作、重量輕、低驅動電壓、無電解質、無束縛操作等優勢，所以引起了廣泛關注。
在不同的熱驅動材料中，液晶彈性體作為一種結合了聚合物網絡（polymer network）和液晶介體（liquid crystal mesogens）的熱驅動材料，因其驅動能力強大且可逆、可加工性高、可編程等獨特特性而備受關注。
隨著溫度的升高，液晶介體由列相（nematic phase）轉變為各向同性相（isotropic），導致材料發生明顯的宏觀變形。已經設計和制造的出來各種基于LCE的驅動器，它們通常由環境加熱、光熱效應（photothermal effects）和電熱驅動器（eletrothemal actuation）驅動。最近一項研究已經成功地將可拉伸電阻加熱器（strechable resistive heaters）與液晶彈性體集成，以更好地控制電信號。
研究人員制造了一種具有多種運動模式的雙向軟體爬行機器人。它通過在基于液晶彈性體的熱雙晶驅動器中對分布式、可編程的納米銀線加熱器進行焦耳加熱實現。研究人員通過對已經設計好的納米銀線加熱和可編程加熱等兩種方式，實現了不同的溫度分布和曲率分布。同時由于機器人加熱前后端與地面產生不同的摩擦，從而實現了雙向運動。
為了證明爬行機器人在潛在應用中的功能，研究人員還描述了前進和反向運動的性能，并測試了通過密閉間隙的場景。通過實踐和有限元分析，研究人員研究了爬行機器人的運動方式、爬行速度以及通過小間隙障礙物的能力。
二、珍珠母蛾的運動啟發出履帶式爬行機器人
在自然界中，珍珠母蛾（Pleurotya rural）是雙向運動的。在向前移動的過程中，珍珠母蛾的幼蟲通常會固定住前端來向前移動尾巴，做這個動作的同時，幼蟲還會收縮后端的幾節，這就使得幼蟲背部產生一個典型的駝峰。隨后，幼蟲會在錨定終端尖端時釋放駝峰，然后，整個履帶（caterpillar）再次變平，而幼蟲向前移動了一步。
在反方向運動時，幼蟲將末端固定在地面上，然后通過身體中部進行有力的收縮。這種運動產生了一個巨大的駝峰，拱起了整個身體。然后，當幼蟲錨定前部時，釋放駝峰，再次變平并向后移動一步。
實現雙向運動的關鍵是對身體曲率的控制，雖然幼蟲的運動學涉及對不同的身體部位進行更復雜的主動控制，但對于軟體爬行機器人來說，只需要控制身體局部的曲率就可以模仿像幼蟲一樣的雙向運動。
下面圖1C和D顯示了爬行機器人在不同加熱通道（或模式）加熱時的正向或反向運動。當加熱關閉時，彎曲雙晶結構（bent bimorph structure)的松弛會使執行器向前后向后完成一個周期的運動。
圖1的E和F分別為通道1和通道2加熱時，執行器對應的紅外圖像和傾斜視圖。在圖1的C和D中，兩個內電極和兩個外電極施加恒定電流導致正向或反向運動。
▲爬行動物的啟發
圖2A展示了爬行機器人的制作過程。納米銀線因其優異的導電性和機器順應性，已被廣泛地用作軟器件中的加熱材料。在這項工作中，研究人員使用納米銀線作為加熱元件，嵌入在聚二甲基硅氧烷（polydimathylsiloxane）基質的表面下。
該爬行機器人是一種雙晶結構，在液晶彈性體帶上粘合納米銀線、聚二甲基硅氧烷和炭黑（carbon black）等組成復合薄膜。納米銀線呈滲流網絡結構（percolation network structure），在聚二甲基硅氧烷中摻雜炭黑粉以提高導熱性，然后將二者滴在納米銀線網絡中進行固化。納米銀線網絡半嵌入在聚二甲基硅氧烷和炭黑的復合材料表面下。
值得注意的是，與純聚二甲基硅氧烷相比，質量比為4：1的聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物的導熱系數提高了31%，但楊氏模量（Young’s modulus）沒有明顯變化。
當電流施加到納米銀線網絡中，焦耳加熱產生的熱量傳遞到聚二甲基硅氧烷和炭黑的復合層以及液晶彈性體層。此時，半嵌入的銀納米線網絡結構位于聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物表層以及液晶彈性體表層之上，這是因為聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物表面比銀納米線表面更能與液晶彈性體表面形成更強的鍵合。
當溫度升高時，聚二甲基硅氧烷和炭黑混合物由于熱膨脹作用膨脹起來，而液晶彈性體由于向列-各項同性轉變而收縮。
圖二C展示了爬行機器人的俯視圖。每個執行器包含兩個導電通道（1和2）。通過設計好的納米銀線加熱模式，從而定制溫度分布，來實現爬行機器人的運動。雙向運動的性能主要包括三個方面：加熱性能、摩擦力分析、以及電源振幅和頻率的影響。
▲履帶式爬行機器人的設計與制造
從圖3可以看出，導電的納米銀線由兩個對稱部分組成，每個部分包含兩個截面。如圖3A所示，第1節均勻覆蓋寬為0.65mm的蛇形導電線，第二節由兩部分組成，每組包含一條寬度為0.65mm的蛇形線和一條平行的2.4mm的粗直線。
電路模型如圖3B所示，此研究中，圖3B中的R1、R21、R22，電阻分量分別為115.4、38.3、3.2歐姆。因此，通道1的電阻為193歐姆，通道2的電阻為121.8歐姆。為了展現爬行機器人的加熱和驅動性能，研究人員對電流和納米銀線、聚二甲基硅氧烷、炭黑薄膜與液晶彈性體帶的雙層厚度比進行了參數化研究。
圖3D顯示了在10-30mA的不同電流下，樣品的曲率隨時間的函數。隨著電流的增大，加熱時間由80s顯著下降到12s。當樣品彎曲到圓形時，電源停止。
圖3E顯示了不同厚度比時的曲率變化隨時間的變化，在相同的外加電流和相同的加熱時間下，厚度比值為0.239時，彎曲曲率最大。
▲軟爬行機器人的加熱性能
圖4A中，左面是履帶機器人向前運動方式的快照。在快照2中，當執行器的通道1被激活時，執行器A開始拱起，并引起左右端（fA和fB）的摩擦。由于弧形的不對稱性，假設fA在fB之前增大并達到滑動摩擦準則，那么就會出現左端向右滑動，而左端保持靜止的情形。當電源關閉時，不對稱圓弧形的松弛導致摩擦力fA和fB同時切換方向，這次fB首先達到滑動摩擦準則，開始向右移動，而此時左端被錨定，直至機器人回到最初的平坦狀態。
圖4B中，左面顯示了執行器A通道2被激活時執行器的反向模式。在反向模式下，機器人的中間部分被抬起，使右端與地面之間的接觸面更小。這種與地面接觸面積的差異導致了相反的摩擦結果。
為了驗證上述假設，研究人員使用完全的Abaqus環境進行了有限元分析。該柔性履帶模型為雙層三維變形結構（three-dimensional formable structure），地面模型為剛性表面（rigid surface）。研究人員通過將變形的爬行機器人進行拖動實驗，測量了摩擦系數，同時發現，被劃定的加熱面積與實驗中紅外圖像觀察到的相同，仿真結果與實驗結果在運動方向和相對平面外位移（locomotion direction and relative out-of-plane displacement）。
圖4C表明，fA<fB時，機器人向左端滑動；當fA的增量大于B時，導致機器人向右滑動。圖4D是其反向模式，驅動周期前半段fA>fB，而當電源關閉時，fA在其余的驅動周期中下降到fB以下。因此，反向模式顯示出與正向模式完全相反的運動方向。
▲履帶式機器人的兩種爬行模式
圖5展示了爬行機器人的運動速度與外加電流和驅動頻率的關系。一般情況下，正反兩種模式的速度都隨著外加電流的增加而增加。但從速度與頻率的關系來看，運動速度隨著驅動頻率的增加先增大后減小。當達到最大值時，頻率的進一步增加使運動速度明顯降低，這是由于每個驅動周期所需的最小加熱和冷卻時間。
▲爬行機器人的運動速度
最后，研究人員希望驗證機器人通過狹小受限空間的能力。具體來講，研究人員設置一個高度僅為3mm,長度為30mm的密閉隧道，在不受約束的情況下，爬行機器人的正向高度可達8.9mm,反向高度可達14.5mm。
▲爬行機器人通過間隙的演示
研究發現，在不同的驅動下，熱驅動的軟爬行機器人具有多步態能力，這與此前大多數報道的軟爬機器人不同。此前的軟爬行機器人既不能改變步態通過密閉空間，也不能雙向移動。熱驅動的軟爬行機器人這種在前進和后退運動中通過密閉空間的能力在未來搜索和救援等許多應用中具有很好的潛力。
結語：仿生機器人快速發展，未來應用場景眾多
事實上，像軟體爬行機器人一樣，通過模仿自然界中生物的外部形狀、運動原理和行為方式，來從事生物特點工作的機器人還有很多。隨著人工智能技術的發展，仿生機器人將會執行更多樣化的任務，完成更人性化的動作，控制水平也將更加精確化。
而當使用場景更加明確后，仿生機器人會朝著更加仿生、更加微型化方向發展，以此來滿足多樣化的使用場景，就像這些軟體爬行機器人將來就可能運用于搜索和救援任務，而又因為它們足夠小，可以探索搜救犬和人類無法進入的地方。
來源：《Science Advances》
