面向软体机器人的新型变刚度技术研究进展
软体机器人具有多样的运动自由度和良好的环境适应性，但是其低刚度特点限制应用范围，因此发展面向软体机器人的变刚度技术是当前研究的前沿热点问题。
本文综述了近5年新型变刚度技术进展，分析了其工作原理、变刚度性能及实际应用，讨论了当前变刚度技术的挑战和未来的发展方向，并探讨了新一代变刚度技术的潜在研究价值。
软体机器人是一种前沿的机器人技术，主要由柔软的功能材料构成，可实现与环境的主/被动变形以及对人体的安全接触。
但其输出力有限，难以完成在负载下的多种操作，迫切需要发展一种新型变刚度智能材料及结构技术，为软体机器人的功能完善提供支撑。
静电吸附变刚度技术
基于静电吸附的变刚度技术是利用边缘电场的极化效应产生电场力，来增加电极层与被吸附层之间的压力，进而增大彼此之间的摩擦力，提高结构的整体刚度。
刘晨等基于静电附着原理设计了变刚度结构，具有刚度调节灵敏、控制简单、结构柔性好等特点。
静电吸附变刚度结构示意
工作原理
静电吸附的基本原理是利用正负电极之间的边缘电场极化被吸附物体，电极层与被吸附物体表面在相对应位置产生相反的电荷，产生吸附力。
静电吸附原理
电极层中正负极电极交错排列，正极与负极之间形成电场，电场区域分为主电场和边缘电场。电极层与被吸物体表面之间出现电场，并产生电场力，从而实现电极层与物体的相互吸引。
柔性变刚度结构原理示意
（a）结构通电前状态；（b）结构通电后状态
当电压作用于电极层时，每个电极层内交错排列的正负电极会产生边缘电场，极化中间层，中间夹层内部的电荷会有序排列，电极层与中间夹层直接产生电场力，增加了结构的整体刚度。
实验及分析
刚度测量装置原理
（a）测量装置；（b）电极层实物
通过测量拉力与结构变形之间的关系，可以观察到不同电压下结构刚度的调整效果。
随着夹层层数的增加，刚度的绝对变化量增大，但刚度的相对变化却在减小。同时，层数增加也导致结构自身的原始刚度提高，相对刚度变化值会缩小。
静电吸附变刚度效果
基于静电吸附的变刚度技术非常适合于软体机器人，也符合机器人简化控制和提高效率的需求，快速消除残余静电、开发高效的绝缘材料或降低其工作电压是未来研究重点。
静电层聚密变刚度技术
干扰式的聚密变刚度，是通过外部载荷将离散的材料聚集在一起，实现结构刚度的变化。
Cheng等结合纤维干扰式变刚度原理和介电弹性体，开发了用于微创手术的可变刚度机器人手臂和用于无人机的柔性变形翼等软体机器人。
变刚度软体机器人
（a）变刚度柔性手术臂；（b）变刚度柔性机翼蒙皮
在此基础上，研究人员开发了基于静电场的静电层聚密变刚度结构，主要由柔性电极层和绝缘层构成，并且正负电极层相邻排布。
电驱动层干扰变刚度结构示意
工作原理
静电层干扰技术（ELJ）依靠电场力作用，使得正负极板在电场作用下相互吸引，挤压材料层，从而增大层与层之间的摩擦力，实现结构刚度的增大。
层干扰变刚度主要是通过正负电极层的相互吸引增大摩擦力，可以实现变拉伸刚度和变弯曲刚度，使用电压驱动，具有良好的可控性。
ELJ的变刚度原理
（a）变拉伸变刚度；（b）变弯曲刚度
实验及分析
ELJ变刚度测试
（a）拉伸刚度测试；（b）弯曲刚度测试
在电场作用下，ELJ拉伸刚度和弯曲刚度均有较大提高，且刚度随电压的增大而增大。
实验结果
（a）和（b）为不同规格拉伸试样的实验数据；（c）和（d）为悬臂梁弯曲试件的试验数据和规定的刚度系数
ELJ作为变刚度元件与柔性线执行器相结合的实际应用中，柔性线驱动器带动抓手变形，当对ELJ施加电压时，抓手刚度提高，保持形状，从而抓起目标。
ELJ的变刚度应用
（a）无电压；（b）施加电压
静电式的层干扰技术省去了复杂且笨重的气源设备，无论是在控制还是在轻量化程度方面都取得了一定提升。
静电吸附变刚度技术和电驱动层聚密变刚度技术都存在一定的技术限制，核心的制约问题在于千伏级的驱动电压接近绝缘层的击穿极限，易产生电击穿问题，未来的改进思路之一是降低驱动电压并设法提高绝缘材料的耐压性。
PVC凝胶变刚度技术
PVC材料全称为聚氯乙烯，是一种对电刺激有响应的电活性凝胶。
当直流电场作用于凝胶时，仅在阳极电极表面发生蠕变变形，阴极表面没有发生这种现象；当直流电场关闭时，凝胶通过自身弹性迅速恢复到原来的形状。
加电凝胶材料蠕变变形
工作原理
PVC凝胶结构为阴极极板-PVC材料层-阳极金属网交替排布，并堆叠累加至一定厚度。
加电后，阳极金属网吸引PVC材料至其网孔中，结构整体在厚度方向上发生挤压变形，达到结构刚度变化的效果。
PVC凝胶工作原理
（a）加电前后PVC凝胶阳极附近的变化；（b）加电前后PVC凝胶厚度方向的变形
堆叠而成的PVC凝胶厚度约2 cm，通电时在厚度方向发生压缩，驱动电压在几十到几百伏特。
PVC凝胶实物
实验效果及应用
PVC凝胶刚度测量装置
测出PVC凝胶的变刚度性能曲线发现，随着电压升高，结构刚度增大，电场强度增加至1200 V/mm时，刚度增大到最初的10倍。
PVC凝胶结构刚度变化情况
Minoru Hashimoto团队将PVC凝胶开发为助力行走的人工肌肉，帮助老年人或行走有困难的人群。
PVC凝胶假肢运动辅助装置
（a）助力装置结构；（b）动作分解
PVC凝胶应用于一些比较柔软的结构中时会有所限制，未来研究方向主要集中在增大其工作频率范围以及研发新的阳极材料与结构。
折纸变刚度技术
折纸机器人具有多自由度运动的优势，在完成各种驱动效果的同时，折纸结构具有一定的变刚度效果，实现方式为折叠机构的自锁效应。
折纸机器人
Kim等利用串联的折纸单元设计出搭载在无人机上可自锁的机械臂，可在所需方向上显著增加机械臂的刚度。
可折叠机器人手臂使无人机能够执行其他方法无法执行的任务
Li等研究了一种具有可编程折纸机械超材料结构，通过非可折叠折纸的锁定和重构达到刚度可编程性。
不同刚度特性的SC单元及其受压后的应力分布
折纸变刚度技术是一种高效的变刚度技术，驱动方式多元化，在满足大变形的同时亦可完成刚度调节效果，但不同使用场合下需要重新设计结构，且力学分析较为复杂，因此使用时需要通过机构学方法进行计算和设计。
各类串联后的SC单元及其变刚度效果
未来研究方向包括被动和主动的自锁折纸超材料，从机构学角度研究自锁过程中的运动自由度的变化，探索基于智能材料的折纸结构，并从能量的角度考虑自锁效果。
磁/电流变变刚度技术
磁流变弹性体（MRE）和电流变弹性体（ER）是指可以通过外界磁场或者电场调节其自身刚度和阻尼参数的智能材料，具有响应迅速、刚度变化明显、可重复性好等优势。
近几年来，利用MRE制成的变刚度支座在工程结构减隔震控制领域显示出广阔的前景。
变刚度MRE支座
然而，磁流变弹性体在实际应用中存在稳定性较差、响应较慢及磁路生热干扰等问题，且需为此配置外加体积较大的磁线圈，直接导致减震装置的体积庞大且结构复杂。
而电流变弹性体所需要的外加电场更易于施加，可更为方便地将电流变弹性体应用于结构装置中。同时，不需要经过电磁转换的过程，可缩短响应时间，且不会因涡流损耗导致的发热而产生额外能量损失。
近些年研究者对电流变弹性体的应用进行了探索，发现其在建筑结构等领域的减震降噪中具有广阔的应用前景。
自供能电流变弹性体减震器
Ma等将电流变弹性体用以制作可变刚度黏弹性阻尼器，证明了此类黏弹性阻尼器的刚度及耗能特性可通过电场实时控制。
基于ER弹性体的变刚度阻尼器结构图
将磁/电流变技术应用于软体机器人领域将能充分发挥其质量轻、变刚度明显的优势，是面向轻型、紧凑、高精度的软体机器人的发展方向之一。
磁/电流变弹性体制备工艺复杂，且成品率较低，一直以来未得到大范围推广。因此，改善制备工艺和提高产量将是此类智能材料发展的关键。
最小势能变刚度技术
根据最小势能原理进行变刚度设计，可以用简单工艺制实现形状复杂结构的刚度调节。
Li等设计了一种将介电弹性体的最小能量结构与柔性条相结合的变刚度介电弹性体致动器（VSDEA），通过控制色带材料的横向曲率，可以实现刚度的变化。
最小势能变刚度VSDEA结构
（a）结构示意图；（b）预拉伸状态；（c）通电前后状态
Shintake等以低熔点合金（LMPA）为基体，结合介电弹性体驱动器（DEA），制作成变刚度驱动器，利用LMPA弹性模量随温度变化实现刚度的调节，该结构的刚度最高可变化约90倍。
VSDEA示意
最小势能原理多应用于柔性基板组合的结构，具有结构简单、制造方便、可以完成复杂形状切换等优点，对未来高适应性机器人的发展具有重要意义，但目前研究还处于实验室水平，其驱动输出和控制算法还有待改进。
近5年来出现的几种新型变刚度智能材料和结构，都具有以软材料为主的特点，通过不同的科学机制，实现不同效果的变刚度性能。
新一代柔性变刚度技术对软机器人的进一步发展具有重要意义。
通过融合生物机理、材料功能、结构设计、驱动机制等新兴多学科的前沿技术，可以发展多材料、跨尺度变刚度方法，不仅能够实现软体机器人结构刚度的变化，甚至有望发展负刚度的超材料，开辟软体机器人的新功能。
本文作者：刘晨，吴业辉，李博，董旭峰，陈花玲，陈贵敏
作者简介：刘晨，机械制造系统工程国家重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室、机械结构强度与振动国家重点实验室，硕士研究生，研究方向为软体机器人、智能材料与结构；李博（通信作者），机械制造系统工程国家重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室，副教授，研究方向为电活性聚合物、软体机器人及仿生制造；陈花玲（通信作者），机械制造系统工程国家重点实验室、陕西省智能机器人重点实验室、机械结构强度与振动国家重点实验室，教授，研究方向为智能材料与结构、软体机器人。
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