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，因此對安全、工業(yè)、國防和交通運(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，更準(zhǔn)確地模擬軟生物的行為。但是對于軟體兩棲機(jī)器人來說，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，甚至可以進(jìn)行兩棲登陸。   

烏龜通過四只腳的交替抬起，以匍匐運(yùn)動的姿態(tài)實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動。轉(zhuǎn)彎時，以一條腿為軸不動，其他三只腿移動而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。烏龜在運(yùn)動時，它的腿經(jīng)歷了從圖 1b 狀態(tài)到圖 1c 的過渡。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)。仿生腿可以通過單一的驅(qū)動壓力輸入成功實(shí)現(xiàn)3D運(yùn)動（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)動示意圖。

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

通過對仿生腿運(yùn)動順序的編程，可以實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動步態(tài)。學(xué)習(xí)烏龜?shù)倪\(yùn)動步態(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)動行為。另外，外殼的設(shè)計(jì)和制造也可以針對任何一種烏龜?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（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，是評價機(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)境下的自動運(yùn)動規(guī)劃及自然地形的導(dǎo)航等。

圖 3.直線運(yùn)動模式的演示

圖 4.轉(zhuǎn)彎運(yùn)動模式的演示

并且，當(dāng)面臨狹窄通道時，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，這種機(jī)動性是必不可少的。

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

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)器人具有五個獨(dú)特的優(yōu)勢。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)典致動器設(shè)計(jì)制造提供了新思路。第二個優(yōu)勢是他們僅使用四個輸入就完成了機(jī)器人的運(yùn)動建模和六個步態(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)無纜的機(jī)器人的潛力。第四，軟體機(jī)器人的運(yùn)動能力。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，以及對生物形態(tài)和運(yùn)動方式的高度偽裝，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