北卡州立尹杰团队《Adv. Mater.》开放获取综述：双稳态和多稳态驱动器在软体机器人中的应用

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双稳态之间的弹突跳变现象和结构在自然界中随处可见：例如快速闭合叶片的捕蝇草、快速闭合喙突的蜂鸟等。利用双稳态和多稳态的结构和材料设计实现高性能的软驱动器和软体机器人有着广阔前景和显著优势。双稳态和多稳态之间的弹跳突变结构有助于软体机器人实现快速奔跑或游动、自适应快速感知和抓取、形貌重构和无电子化的逻辑门和控制系统。该论文归纳总结了近年来双稳态和多稳态结构应用于软体机器人中的最新研究进展，对于不同的结构设计原理和多种先进材料及其驱动方式进行了详细的例述和分析，并对当前挑战和未来发展等方面进行了展望。

图1 双稳态和多稳态柔性驱动器的构建原理、驱动模式以及应用

文中，作者首先分类讨论了构建双稳态柔性驱动器的基本设计原理和结构，其中包括一维梁架结构、二维弯曲薄板结构、三维穹顶状结构、柔性铰链机构、折纸结构以及球囊结构。在此基础上，简要回顾了几种代表性驱动材料的优缺点，其中包括气液驱动弹性体、电活性聚合物和激励响应聚合物，例如形状记忆聚合物、液晶聚合物、水凝胶、磁感应弹性体和扭曲人造肌肉。然后论述了结合不同材料性能和各类双稳态结构设计在软驱动器和软体机器人的广泛应用。

1. 一维梁架双稳态驱动器

原则上，由于梁屈曲现象，一维梁架结构可实现预储能和双稳态之间的弹性跳变，并结合有线或无线控制，例如在光、热、电场和磁场的驱动下，实现连续性拱形形变，基于其二维弯曲变形，实现快速爬行 （陆地或水中），抓取等复杂机器人动作。

图 2：一维梁架结构双稳态柔性驱动器及软体机器人示例

2. 二维弯曲薄板双稳态驱动器

二维弯曲薄板双稳态执行器受到卷尺或捕蝇草双曲面的启发，由于在变形后的稳态不需要额外供能，其可用于低能耗的抓取机构来实现快速打开和闭合。

图 3：二维弯曲薄板双稳态软驱动器及软体机器人示例

3. 三维穹顶状双稳态驱动器

和前两种驱动器相比，穹顶双稳态结构可实现更大的三维屈曲变形，大面积的快速内外翻折有利于其和流体的高效相互作用和复杂的气流通道。利用不同的驱动模式，可实现仿生水母水下机器人，跳跃式软体机器人和流控逻辑通路。

图 4：三维穹顶状双稳态柔性驱动器及软体机器人示例一

图 5：三维穹顶状双稳态柔性驱动器及软体机器人示例二

4. 柔性铰链机构及折纸机构双稳态柔性驱动器

柔性铰链机构结合传统刚体结构和柔性结构来实现完全或部分的弹性变形，利用弹性失稳释放的势能实现水面跳跃，快速奔跑或水下游动。此外，基于几种经典的折纸结构，例如克雷斯林图案（kresling），可实现结构的多稳态切换和可编程变形。

图 6：柔性铰链机构双稳态驱动器及软体机器人示例

图 7：折纸结构双稳态柔性驱动器及软体机器人示例

5. 球囊双稳态和多稳态柔性驱动器

大多数气动式软体机器人往往受限于复杂的电子控制系统，庞大的气泵和供能系统。利用充气球囊的非线性失稳膨胀，可实现软体机器人的快速响应和去电子化。

图 8：球囊双稳多稳态柔性驱动器及软体机器人示例

文章以Bistable and Multistable Actuators for Soft Robots: Structures, Materials, and Functionalities为题发表在Advanced Materials上。该论文共同第一作者为团队博士生赤银鼎（博士生）、李艳滨、博士后赵耀。其它合作作者有博士生洪尧烨以及同济大学唐一超教授。尹杰教授担任通讯作者。

原文链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202110384

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