仿獵豹迄今速度最快軟體機器人

軟機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。和剛性機器人相比,軟機器人在柔性、靈活性、以及安全性等方面都具有優勢。但是同時,柔性材料也帶來瞭一些天然缺陷,比如響應慢及力量小等,因此大多數軟機器人運動速度較為緩慢,介於每秒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。如何讓軟機器人也能高速跑起來成為瞭一個亟待解決的問題。

近日,北卡州立大學(NCSU)尹傑教授團隊和科羅拉多州立大學(CSU)趙建國教授以及紐約市立大學(CCNY)蘇浩教授團隊合作,通過巧妙利用雙穩態間的快速跳轉(snap-through bistability),實現瞭可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機器人(身長約7厘米重量約50克),其速度可達每秒2.7個身長(187.5mm/s)。同時該雙穩態機制有多方面用途,既可以實現水下軟機器人的快速遊動,速度可達每秒0.8個身長(117mm/s);又可以用於可調節抓力的軟機器人抓手(可抓取易碎的生雞蛋也可提起重達10公斤的啞鈴)。

北京時間2020年5月9日,論文以Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”為題發表在Science Advances上。

獵豹柔性脊背的啟發

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,來實現高速奔跑(圖1a)。受此啟發,研究團隊設計瞭柔性脊背軟機器人(圖1b),脊背的變形由軟“身體”-氣動軟驅動器-來驅動。該驅動器有上下兩層氣道,在充氣加壓後可以雙向彎曲,從而帶動脊背的上下彎曲變形。為瞭實現脊背的快速運動,研究團隊給脊背裝上瞭“肌肉”-預拉伸彈簧(圖1b)-來存儲能量,使其變身成為一個雙穩態機構(圖1c):背部向上彎或向下彎代表兩種穩定狀態;背部變直時,為失穩狀態。當來回擺動“身體”時,“肌肉”中的能量得以儲存和快速釋放,柔性脊背在雙穩態間來回突跳,從而實現類似獵豹脊背的快速運動。團隊將此機器人命名為LEAP高性能軟機器人。

仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
圖1:(a)柔性脊背軟機器人來模擬獵豹在高速運動中脊背的彎曲以及伸展。(b)雙穩態軟機器人設計圖 。(c)雙穩態能量圖。

團隊研究顯示雙穩態機制可以讓LEAP軟機器人像獵豹一樣(圖2a),快速奔跑起來,速度可達每秒2.5個身長(174mm/s)(圖2b),該速度比目前報道的最快軟機器人快約3倍(圖2c)。與貼地爬行的傳統單穩態軟機器人相比,團隊顯示雙穩態機制具有下列獨特優勢:

  • 更快(響應時間縮短20倍,突跳時間約50毫秒,運動速度提高2倍(圖2b))
  • 更強(力量輸出提高3倍,可以爬坡(圖2d)等)。
仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
圖2:(a)類似獵豹奔騰姿態(b)單穩態無脊背軟機器人與雙穩態脊背軟機器人(LEAP)速度對比(c)LEAP軟機器人與各種機器人與動物的速度體重對比圖。(d)LEAP軟機器人爬坡
仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
Video 1: 雙穩態與單穩態軟機器人即時速度對比:雙穩態脊背(上),無脊背(中),單穩態脊背(下)
仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
Video 2: 奔騰慢動作(八倍慢速)


LEAP高性能軟機器人的多場合應用

該團隊展示LEAP機器人也可以實現水下的快速運動以及變剛度機械手的抓取等。

仿獵豹迄今速度最快軟體機器人
圖3.(a)LEAP水下軟機器人示意圖。(b)單穩態 與雙穩態軟機器人速度比較。(c)LEAP水下軟機器人與其它報道水下軟機器人速度驅動頻率對比。(d)可調節抓力機械手


快速水下軟機器人:當給軟驅動器身後加裝一個柔性尾巴,通過左右擺動身體,可以模擬魚的遊動(圖3a-3b)。以往研究表明,驅動頻率越高,軟機器人遊動速度越快,在5Hz的驅動頻率下,最快速度可達0.7身長/秒(圖3c)。該研究顯示即使在低頻驅動下(比如約1.3Hz),雙穩態間的快速突跳使其速度也可高達每秒0.78個身長(圖3c)。

變剛度機器人抓手:通過實時調節彈簧中的拉力,機械手的剛度也可以隨之改變。基於此,該團隊展示瞭可以實時改變抓力的機械手。機械手既可以抓取易碎的雞蛋,又可以抓取不規則形狀線圈,礦泉水,以及直接抓取啞鈴等(圖3d)。

展望

該工作利用失穩原理來加快軟材料的響應,理論上該原理也可以推廣到其它雙穩態以及多穩態軟機構,以及更小尺度和活性材料驅動器比如液晶彈性體,水凝膠,形狀記憶聚合物和電介質彈性體等。驅動原理將不限於氣壓或水壓,可推廣至相應的外部刺激比如溫度、pH、光、電場以及磁場等自主軟機器人。

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