導(dǎo)讀

以前很長(zhǎng)的一段時(shí)間里，機(jī)器人領(lǐng)域的研究大多集中在工業(yè)機(jī)器人上，人們往往追求更加精確可控的重復(fù)運(yùn)動(dòng)，而不太在意機(jī)器人的靈活性和體積。這就導(dǎo)致那些在科幻電影里邊能夠隨意變換形狀的靈活的機(jī)械臂和微型機(jī)器人，迄今為止也都僅僅停留在正在研發(fā)的就基礎(chǔ)極端。想要讓機(jī)器人工作，那就需要一個(gè)可以產(chǎn)生力的驅(qū)動(dòng)器。這種驅(qū)動(dòng)器，類似人或者動(dòng)物的肌肉，可以輸出可控的力和位移。同時(shí)這個(gè)驅(qū)動(dòng)器應(yīng)該是柔軟的，并且能夠像肌肉一樣可以變形。這種驅(qū)動(dòng)器，我們稱之為“柔性驅(qū)動(dòng)器”，也稱人工肌肉或仿生肌肉，它能在外界刺激（如，電流、熱、化學(xué)、磁場(chǎng)等）的作用下產(chǎn)生收縮，從而模擬動(dòng)物肌肉的驅(qū)動(dòng)特性。螺旋卷繞驅(qū)動(dòng)器（Twisted-and-Coiled Actuator）是一種將聚合物纖維 (例如，縫紉線，魚(yú)線等尼龍材料)扭轉(zhuǎn)后螺旋卷繞而制成的新型人工肌肉，由于其形狀是螺旋形而得名，我們以下簡(jiǎn)稱“螺旋驅(qū)動(dòng)器”。螺旋驅(qū)動(dòng)器能量密度高，同等質(zhì)量下輸出的力是動(dòng)物肌肉的一百倍，且成本低。現(xiàn)在的螺旋驅(qū)動(dòng)器一般用導(dǎo)電的尼龍縫紉線制作，如動(dòng)畫(huà)所示，可以直接在加電流之后（1A左右）收縮并提升一個(gè)重物，或者伸長(zhǎng)頂起一個(gè)物體。

近日，發(fā)表在國(guó)際著名機(jī)器人期刊《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）的一篇論文，提出了將這種人工肌肉進(jìn)行改進(jìn)，從而驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人,實(shí)現(xiàn)各種形式的靈活運(yùn)動(dòng)，如彎曲，扭轉(zhuǎn)等。研究者用這種人工肌肉驅(qū)動(dòng)具有不同變形功能的模塊：一個(gè)微小的軟體夾爪，一個(gè)扭轉(zhuǎn)的機(jī)械手腕，和一個(gè)可以向任何方向靈活彎曲的機(jī)械臂。將這些模塊組合在一起，形成了一個(gè)厘米級(jí)的軟體機(jī)械臂，這個(gè)機(jī)械臂可以靈活抓取將物體，并且將其準(zhǔn)確地放置到預(yù)定的位置。文中所描述的軟體機(jī)器人將在電子器件，精密儀器組裝，食品，藥品等方面有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，由于這個(gè)螺旋驅(qū)動(dòng)器是柔軟的，所以可以被放置成各種形狀，從而實(shí)現(xiàn)各種各樣的運(yùn)動(dòng)。

螺旋卷繞驅(qū)動(dòng)器的工作原理

我們通過(guò)一個(gè)例子解釋螺旋驅(qū)動(dòng)器的工作原理。當(dāng)我們用雙手捏住一根魚(yú)線（尼龍線）兩端拉直并捻動(dòng)它，就會(huì)看到這個(gè)魚(yú)線的纖維成為了螺旋狀。但是如果松開(kāi)一端，魚(yú)線就自然向反方向扭轉(zhuǎn)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。所以我們需要施加一定的扭矩，防止魚(yú)線扭轉(zhuǎn)。當(dāng)我們加熱這個(gè)魚(yú)線的時(shí)候，由于魚(yú)線截面的變大，它內(nèi)部的纖維為了保持原來(lái)的長(zhǎng)度，就會(huì)向反方向扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生更大的力去克服人手施加的扭矩。一個(gè)更直觀的理解是，如果我們?cè)谝粋€(gè)圓柱體上纏繞一根不可伸長(zhǎng)的線，并把這個(gè)線的兩段固定在這個(gè)圓柱體上，如果這個(gè)圓柱體的直徑增大了，這時(shí)候這個(gè)線必須要對(duì)這個(gè)圓柱體造成一個(gè)扭轉(zhuǎn)去保持它原來(lái)的長(zhǎng)度。

當(dāng)把這個(gè)扭轉(zhuǎn)（捻）過(guò)的魚(yú)線纏繞在一個(gè)柱體上成為螺旋狀，這個(gè)加熱帶來(lái)的扭轉(zhuǎn)的形變就會(huì)變成線性的收縮或者是伸長(zhǎng)。當(dāng)然，我們也可以用更簡(jiǎn)單的方法，就是在剛開(kāi)始捻的時(shí)候，就一直捻下去，直到這個(gè)魚(yú)線自己形成螺旋狀。但是這種方法就只能制作收縮型人工肌肉。動(dòng)畫(huà)中一位研究人員展示了這種制作方法，他在一根魚(yú)線的底端掛了一個(gè)重物，然后用電機(jī)持續(xù)扭轉(zhuǎn)魚(yú)線，直到它完全成為螺旋狀，然后用一個(gè)細(xì)桿防止底端反轉(zhuǎn)。當(dāng)他用熱風(fēng)吹這個(gè)人工肌肉的時(shí)候，我們可以明顯看到重物被提升了，當(dāng)其冷卻之后，重物又恢復(fù)到了原來(lái)的位置。

螺旋卷繞驅(qū)動(dòng)器的改進(jìn)

以往的螺旋驅(qū)動(dòng)器有一個(gè)致命的缺點(diǎn)：它在自然狀態(tài)下是處于收縮狀態(tài)（圈與圈之間緊密相連），往往需要一個(gè)預(yù)拉力，將圈與圈之間拉開(kāi)距離后，才能在驅(qū)動(dòng)后進(jìn)行收縮。這種預(yù)拉力的需求，使得這種驅(qū)動(dòng)器很難被運(yùn)用到柔軟的軟體機(jī)器人。因?yàn)檫@個(gè)預(yù)應(yīng)力會(huì)直接導(dǎo)致軟體機(jī)器人有一個(gè)初始形變，而這種形變往往是不需要的。

研究人員通過(guò)改進(jìn)制作方法，使得這種驅(qū)動(dòng)器具有了自由行程。也就是，在自然狀態(tài)下，不需要任何預(yù)拉力，螺旋驅(qū)動(dòng)器的圈與圈之間都有間隙存在，因此螺旋驅(qū)動(dòng)器在受熱之后都能進(jìn)行收縮，并在溫度降低之后恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種改進(jìn)可以使得人工肌肉得到更加廣泛應(yīng)用，比如說(shuō)，它能夠克服被動(dòng)力，例如摩擦力，去拉動(dòng)一個(gè)物體。而在改進(jìn)以前，這種人工肌肉只能夠克服主動(dòng)力，如重力。這種改進(jìn)的最大的優(yōu)點(diǎn)就是使得人工肌肉能夠被運(yùn)用到軟體機(jī)器人上。同時(shí)，由于這種人工肌肉本身就是柔軟的，和軟體機(jī)器人有很好的兼容性。

運(yùn)動(dòng)可編程軟體模塊

由于這種人工肌肉本身的柔韌性，它可以被安置在一個(gè)柔軟的軟體（硅膠）內(nèi)，并且可以是任意的形狀：比如圓弧狀，螺旋狀，直線狀等等。取決于這些不同的形狀，當(dāng)螺旋驅(qū)動(dòng)器被驅(qū)動(dòng)的時(shí)候，就會(huì)驅(qū)動(dòng)這個(gè)軟體，因此實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)（變形）。如動(dòng)畫(huà)所示，當(dāng)螺旋驅(qū)動(dòng)器是一個(gè)弧狀的U形的時(shí)候就可以驅(qū)動(dòng)軟體實(shí)現(xiàn)平面的彎曲，由此驅(qū)動(dòng)一個(gè)常閉的夾爪。當(dāng)是螺旋形的時(shí)候，就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)一個(gè)扭轉(zhuǎn)的模塊（像機(jī)械臂的手腕）。當(dāng)是三個(gè)平行線的時(shí)候，驅(qū)動(dòng)其中任意一個(gè)螺旋驅(qū)動(dòng)器是就可以使得這個(gè)柱體彎曲（類似大臂），也可以通過(guò)控制其中任意兩個(gè)人工肌肉輸出力的比例從而控制其彎曲的方向。總之，理論上我們可以實(shí)現(xiàn)任意的運(yùn)動(dòng)，對(duì)于簡(jiǎn)單形式的運(yùn)動(dòng)，我們能夠直觀感覺(jué)，人工肌肉應(yīng)該被安置成一個(gè)什么樣的形狀，但是對(duì)于復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，就需要通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，去預(yù)測(cè)這些人工肌肉應(yīng)該被放置成什么樣的形狀。

人工肌肉驅(qū)動(dòng)的微型機(jī)械臂

更加復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)可以通過(guò)將簡(jiǎn)單的模塊組合在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如，我們把上文介紹的三種模塊組合在一起，就可以組裝成一個(gè)軟體機(jī)械臂。動(dòng)畫(huà)中顯示了這個(gè)軟體機(jī)械臂的一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景：一個(gè)機(jī)械臂可以轉(zhuǎn)動(dòng)自己的手腕，使得夾爪和要夾的面平行，然后夾爪打開(kāi)，抓住物體，隨后整個(gè)機(jī)械臂升高到一定的高度，最后大臂轉(zhuǎn)動(dòng)將物體放入到指定的容器中。

自感知功能

同時(shí)，類似于動(dòng)物的肌肉，這種人工肌肉同時(shí)具有自感知的功能。當(dāng)我們用傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器，如電機(jī)，去驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的時(shí)候，往往需要很多的傳感器去檢測(cè)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的控制。人工肌肉的這種自感知功能為其運(yùn)動(dòng)控制提供了很好的基礎(chǔ)，使得我們能夠在不借助外部傳感器的情況下，控制它的運(yùn)動(dòng)。接下來(lái)的一個(gè)動(dòng)畫(huà)，展示了由這種自感知功能的螺旋驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的軟體手指，當(dāng)人用手觸摸這個(gè)軟體手指兩次的時(shí)候，這個(gè)手指感受到了外界的刺激，從而按照預(yù)定的程序彎曲60°并保持這個(gè)形狀一定的時(shí)間。如果這個(gè)軟體手指僅僅被觸摸一次，則不做出任何反應(yīng)。

作者信息

論文由科羅拉多州立大學(xué)（CSU）的趙建國(guó)教授團(tuán)隊(duì)完成，第一作者是CSU的博士生孫杰鋒合作者有CSU的 Brandon Tighe，和哈工大的劉英想教授。

相關(guān)論文

· Sun,J., Tighe, B., Liu, Y., & Zhao, J. (2020). Twisted-and-Coiled Actuatorswith Free Strokes Enable Soft Robots with Programmable Motions. Soft Robotics.

· SunJ, Tighe B, & Zhao J (2020). Integrated Actuation and Self-Sensing forTwisted-and-Coiled Actuators with Applications to Innervated Soft Robots. In2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS). Accepted.

·Sun,J., Pawlowski, B., & Zhao, J. (2018). Embedded and controllable shapemorphing with twisted-and-coiled actuators. In 2018 IEEE/RSJ InternationalConference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (pp. 5912-5917). IEEE.