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发表在顶级期刊ExtremeMechanical Letter上的最新仿生软体机器人综述文章，告诉了大家在设计软体机器人的三种考虑，如何选择软体材料？如何设计软体机器人驱动形式？如何设计软体机器人结构?

图1 Extreme Mechanical Letter

我们知道动物能够利用生物软体结构改变自身特性从而在复杂的自然环境中有效地移动。这些生物软体结构是天生的，且不存在机器人中通常出现的某部件产生巨大的应变。因此，人们迫切的希望将生物界中的软体结构应用到自身软体机器人的设计中。在软体机器人设计中需要注意三个关键要素：即材料选择，驱动形式和结构设计。

一、软体结构材料的选取

目前主要的软体结构材料包括：有机硅弹性体，聚氨酯，水凝胶，编织织物，液压油，和气体。其中有机硅弹性体非常受欢迎，它能提供足够的粘弹性，在其与人、生物组织和机器人交互驱动的安全性方面，具有很大的优势。

软体机器人许多优势特性源自其结构材料的低刚度。大部分生物组织的材料（比如：软骨，皮肤，或肌肉组织）的弹性模量远远小于传统的机器人材料（比如金属、硬塑料）弹性模量。因此软体机器人在选择材料的时候，材料的弹性模量应在天然组织材料的弹性模量范围内。受力时，更倾向于弹性形变，有更高的柔顺性能，并允许负载分布在更大的区域上，降低了最大冲击应力。符合要求的有机硅弹性体包括Dow Chemicals的Sylgard 184和527，以及Smooth-On的Smooth-Sil950和EcoFlex 00-30。工程师们可以利用这些材料来减小用户和机器人设备之间的界面应力。

许多生物和软体机器人中的软体材料都具有粘弹性，评判标准最好用它们的储存和损耗模量来描述，它们分别代表弹性部分和粘性部分。

图2 不同材料的储存模量和损耗模量

该图显示了几类材料的储存和损耗模量的近似范围，包括人造和天然材料。描述了不同材料的适用范围，以调和不同材料之间的相容性，避免严重的应力集中。

纯弹性材料（如钢，木材，骨头）在施加载荷时不会耗散能量，因此几乎没有表现出损耗模量（其与损耗模量与储能模量的比率成比例）。相反，粘弹性材料（例如肌肉，脂肪，聚二甲基硅氧烷（PDMS），聚乙二醇（PEG）水凝胶等）表现出粘性和弹性性质。

在为软体机器人选择材料时，确定最佳粘弹性材料特征非常重要。在软体机器人中表现出弹性滞后的普通粘弹性材料是聚氨酯和聚丙烯酸酯。像3M VHB胶带这样的软质聚丙烯酸酯特别适用于介电弹性体薄膜，因为它在拉伸时能够获得大的应变和高电场。像硅树脂这样粘度较低的弹性体在涉及高循环载荷或需要高弹性的应用中很受欢迎。柔软，可拉伸材料的另一个重要特性是断裂韧性。具有高断裂韧性的材料包括超级双网络水凝胶，其利用离子和共价交联网络来显著增加其断裂能。选择具有这些特性的材料，有助于增加软体机器人的驱动能力和承载负荷。

二、仿生驱动的选择

传统机器人和软体机器人使用不同的机制实现致动。传统的机器人通常具有电动或电缆驱动的关节，可以旋转或平移运动，每个刚性部件具有有限的自由度。软体机器人的变形分布在其软体结构中，理论上具有无限的自由度。因此，软体机器人驱动方式被整合在整个结构中。目前软体机器人的驱动原理包括气动，电动和化学刺激。总体来说，传统机器人的驱动更精确，软体机器人的驱动方式更灵活。

1. 变刚度驱动方式

软体机器人在刚度变化期间可以对软体结构进行驱动。例如，肌肉在被动（低刚度）和主动（高刚度）状态之间表现出刚度变化就可作为驱动方式。软体机器人可利用类似技术施加力并调节其负载能力。颗粒堵塞是一种变刚度的软体机器人结构，采用填料颗粒（例如珠子，咖啡粒，污垢等）填充薄弹性囊。当施加真空时，颗粒堆积在一起，系统从流体状态转变为固体状态。这种机器人可适用于各种各样的3D形状，然后锁定它们的形状增加刚度提升有效载荷。

2. 不匹配应变

应变不匹配是单压电晶片执行器运行的核心原理，主流的利用不匹配应变引起的变形的驱动技术包括介电弹性体（DEA），离子聚合物金属复合材料（IPMCs），形状记忆合金（SMAs）和生物混合致动器等。

不匹配应变引起的变形是指异质材料中形状的变化，由部件中不同层的差异应变引起。这种形状变化可能是由硬质材料（如金属或半导体薄膜或软材料（如PDMS或硬 - 软混合系统引起的。应变诱导驱动技术具有高度可扩展性。半导体微纳米管已经通过应变诱导的微机电系统的膜自动卷积形成（图3-b）。Motala等人则使用光刻技术在PDMS / SU8中产生不同刚度的区域，当浸没在溶剂中时，由于不同的膨胀，就可进行各种复杂的预先规划的运动。

3. 弹性不稳定

对于快速可重构结构，软体机器人研究人员利用弹性不稳定性来实现。弹性系统中的不稳定性导致屈曲，皱折和快速变化。这种可重新配置的架构能够适应外部刺激并给出适当响应，且存在许多方式来释放弹性不稳定性（例如，化学，热，磁，物理等）。如Epstein等人制造出相应pH值变化的胶体颗粒能够实现形状快速变化（图3-c）

胶体颗粒的双稳定性来自胶体的球形曲率，其表现出快速运动。此外，Ramachandran等人研究了一种预屈曲的铁弹性体梁，它在外部磁场作用下能经受屈曲不稳定性（图3-d）。通过电路或磁路的开闭配置进行快速转换。弹性不稳定性的其他应用包括可编程的折纸结构和操纵流体流动。

图3 不同软体机器人的驱动方式

（a）气压驱动仿生章鱼机器人“Octobot” （b）由应变不匹配形成的分层形状变化 （c）不同pH值反应的形状变化 （d）受磁场和电流变化产生的应变不匹配

下期预告：将介绍软体机器人设计的第三部分：仿生混合系统设计，以及最新的生物混合运动机器人及软体机器人的不同应用领域。

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