The Innovation | 智能柔性积木引领未来，驱动感知计算无所不能

导 读

在软材料中整合驱动、计算和传感功能，就像给软体机器人穿上了一件万能外套，让它们能够自如地应对外界各种刺激。但是，要把这些功能高效、可编程且完美地融入柔性材料中，可不是件轻松的事情。浙江大学杨华勇院士团队提出了一种智能柔性模块，就像“乐高”积木一样，让你可以快速组装出各种功能不同的软体机器人，从而更好地适应各种变化万千的任务场景。

图1  图文摘要

智能柔性模块

智能柔性模块的设计灵感源于Kresling折纸，模块的每个侧面均有一条凹槽作为折痕，整个模块是一个正方体密封结构，一根控制软管从顶部插入气室内，另一根智能软管贯穿整个模块，软管末端连接一根毛细管。模块的顶部和底部分别是可即插即用的柔性连接器，简化了模块的组装和拆卸。

驱动功能：利用负压驱动，模块能够沿着折痕的倾斜方向塌陷，实现扭转和伸缩变形。通过改变折痕的倾斜方向，就可以实现不同方向的扭转运动。

计算功能：柔性模块由三个逻辑端口组成：输入端口“A”、源端口“S”和输出端口“Q”。如果将大气压和负压分别定义为流体信号“0”和“1”，“S”连接负压，当模块处于初始状态时（“A”与大气相连），气室内的智能软管处于伸直状态，气体可以自由流通，此时“S”和“Q”均处于负压状态；当“A”连接到负压，模块进入折叠状态，智能软管被折弯变成“V”型，“S”和“Q”之间的流道关闭，“Q”通过毛细管从负压变为大气压。通过这种方式，柔性模块可以将流体信号的“1”转换为“0”，或者将“0”转换为“1”，即实现逻辑非门的功能。

感知功能：柔性模块的感知能力是通过智能软管和毛细管实现的。当模块被扭转或按压时，智能软管被折弯，导致流道结构发生变化，使得端口“Q”处的压强增加。当这些机械刺激释放后，“Q”处的压强下降，恢复初始值。

作为传感器，柔性模块的输出信号为流体信号；作为逻辑门，其输入、输出信号均为流体信号；作为执行器，其输入信号为流体信号。因此，无论作为哪种功能元件，元件之间都可以直接通过流体信号进行通信，无需外部设备进行转换，保证了信息传输的兼容性。

图2 “驱动-传感-计算”一体化智能柔性模块

Video 1 驱动计算传感一体

可重构的机器人形态

单个模块能够展现出扭转-伸缩复合变形，这种复合运动与即插即用的连接器相结合，可以快速重构出多种变形组合，比如伸缩运动、扭转运动、外径向运动、内径向运动、双向弯曲运动等，再以这些变形组合为基础就可以搭建不同功能的软体机器人，比如柔性爬杆机器人、柔性机械臂等。

图3 柔性模块的可重构形态

Video 2 可重构形态

可编辑的物理智能

单个柔性模块是一个逻辑非门，通过组合可以实现所有的基本组合逻辑电路，包括1位逻辑门（非门和缓冲门）和2位逻辑门（与非门、或非门、与门、或门、异或门和同或门），展示了基本的逻辑运算能力。此外，较为复杂的时序逻辑电路也能通过柔性模块的组合实现，比如环形振荡器、SR锁存器、JK触发器、D触发器等。以这些基本组合逻辑电路和时序逻辑电路为基础，就可以搭建功能更为复杂的电路，比如全加器、分频器等等。

图4 柔性模块的可编辑物理智能

Video 3 逻辑电路

自主运动的智能软体机器人

为了验证柔性模块在快速制造软体机器人方面的潜力，本文设计了一个具有感知刺激、存储数据、处理信号、驱动肌肉功能的机器龟。该机器龟由一个SR锁存器和两个环形振荡器组成。其中，SR锁存器负责感知外部刺激和存储数据，两个环形振荡器电路将SR锁存器输出的恒定压强转化为振荡压强，同时驱动乌龟的腿进行周期性摆动，实现向前或向后游动。该机器人的柔性传感器和执行器分别集成到SR锁存器和环形振荡器中，实现了柔性模块的功能复用。这种设计使得一个模块可以同时作为两种功能元件，从而减少系统冗余。

图5 自主运动的智能软体机器人

Video 4 机器龟

总结与展望

本文设计了一种“驱动-传感-计算”一体化的智能柔性模块。即插即用的设计使其可以像“乐高”积木一样，快速搭建成可编辑的柔性逻辑电路和具有特定变形能力的软体机器人。利用这种柔性模块设计的机器龟能够感知刺激、存储数据、处理信息、驱动肌肉，实现了软体机器人的无束缚自主运动。柔性模块的功能复用和信号兼容最大限度地减少了柔性系统所需模块数量，从而降低机器人的冗余度和复杂性。该项研究为在资源受限的环境中快速制造出满足任务需求的软体机器人提供了可能。

责任编辑

李承喜   浙江大学

钟   杰    中国石油大学

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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(23)00177-7

本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第五卷第一期以Article发表的“Reprogrammable, intelligent soft origami LEGO coupling actuation, computation, and sensing” (投稿: 2023-08-11；接收: 2023-11-28；在线刊出: 2023-11-29)。

DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2023.100549

引用格式：Jiao Z., Hu Z., Shi Y., et al., (2024). Reprogrammable, intelligent soft origami LEGO coupling actuation, computation, and sensing. The Innovation 5(1), 100549.

作者简介

邹 俊，浙江大学教授，浙江大学机器人与智能装备科技联盟秘书长。主要从事机器人、智能制造、流体传动等研究工作。获得国家教学成果二等奖1项，省部级科技进步一等奖2项，日内瓦国际发明金奖2项，全国发明展览会金奖1项，JIMSE全球先进制造青年科学家奖（2023），研究团队获得2022年中国机器人科学引领奖，在Nature Communications、Science Advances、National Science Review等期刊上发表SCI论文80余篇，授权发明专利80余项。

焦中栋，2021-2023年在浙江大学机械工程学院从事博士后研究工作，合作导师为杨华勇院士，研究内容包括：柔性驱动技术、面部机器人等，以第一作者发表SCI论文7篇，其中多篇被选为封面文章，授权发明专利16项，主持博士后创新人才支持计划项目、国家自然科学基金青年项目、博士后面上项目（一等）等。

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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球55个国家；已被139个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2022年影响因子为33.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。

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