導(dǎo)讀

以前很長的一段時間里，機(jī)器人領(lǐng)域的研究大多集中在工業(yè)機(jī)器人上，人們往往追求更加精確可控的重復(fù)運動，而不太在意機(jī)器人的靈活性和體積。這就導(dǎo)致那些在科幻電影里邊能夠隨意變換形狀的靈活的機(jī)械臂和微型機(jī)器人，迄今為止也都僅僅停留在正在研發(fā)的就基礎(chǔ)極端。想要讓機(jī)器人工作，那就需要一個可以產(chǎn)生力的驅(qū)動器。這種驅(qū)動器，類似人或者動物的肌肉，可以輸出可控的力和位移。同時這個驅(qū)動器應(yīng)該是柔軟的，并且能夠像肌肉一樣可以變形。這種驅(qū)動器，我們稱之為“柔性驅(qū)動器”，也稱人工肌肉或仿生肌肉，它能在外界刺激（如，電流、熱、化學(xué)、磁場等）的作用下產(chǎn)生收縮，從而模擬動物肌肉的驅(qū)動特性。螺旋卷繞驅(qū)動器（Twisted-and-Coiled Actuator）是一種將聚合物纖維 (例如，縫紉線，魚線等尼龍材料)扭轉(zhuǎn)后螺旋卷繞而制成的新型人工肌肉，由于其形狀是螺旋形而得名，我們以下簡稱“螺旋驅(qū)動器”。螺旋驅(qū)動器能量密度高，同等質(zhì)量下輸出的力是動物肌肉的一百倍，且成本低?，F(xiàn)在的螺旋驅(qū)動器一般用導(dǎo)電的尼龍縫紉線制作，如動畫所示，可以直接在加電流之后（1A左右）收縮并提升一個重物，或者伸長頂起一個物體。

近日，發(fā)表在國際著名機(jī)器人期刊《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）的一篇論文，提出了將這種人工肌肉進(jìn)行改進(jìn)，從而驅(qū)動軟體機(jī)器人,實現(xiàn)各種形式的靈活運動，如彎曲，扭轉(zhuǎn)等。研究者用這種人工肌肉驅(qū)動具有不同變形功能的模塊：一個微小的軟體夾爪，一個扭轉(zhuǎn)的機(jī)械手腕，和一個可以向任何方向靈活彎曲的機(jī)械臂。將這些模塊組合在一起，形成了一個厘米級的軟體機(jī)械臂，這個機(jī)械臂可以靈活抓取將物體，并且將其準(zhǔn)確地放置到預(yù)定的位置。文中所描述的軟體機(jī)器人將在電子器件，精密儀器組裝，食品，藥品等方面有廣泛的應(yīng)用。當(dāng)然，由于這個螺旋驅(qū)動器是柔軟的，所以可以被放置成各種形狀，從而實現(xiàn)各種各樣的運動。

螺旋卷繞驅(qū)動器的工作原理

我們通過一個例子解釋螺旋驅(qū)動器的工作原理。當(dāng)我們用雙手捏住一根魚線（尼龍線）兩端拉直并捻動它，就會看到這個魚線的纖維成為了螺旋狀。但是如果松開一端，魚線就自然向反方向扭轉(zhuǎn)恢復(fù)到原來的形狀。所以我們需要施加一定的扭矩，防止魚線扭轉(zhuǎn)。當(dāng)我們加熱這個魚線的時候，由于魚線截面的變大，它內(nèi)部的纖維為了保持原來的長度，就會向反方向扭轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生更大的力去克服人手施加的扭矩。一個更直觀的理解是，如果我們在一個圓柱體上纏繞一根不可伸長的線，并把這個線的兩段固定在這個圓柱體上，如果這個圓柱體的直徑增大了，這時候這個線必須要對這個圓柱體造成一個扭轉(zhuǎn)去保持它原來的長度。

當(dāng)把這個扭轉(zhuǎn)（捻）過的魚線纏繞在一個柱體上成為螺旋狀，這個加熱帶來的扭轉(zhuǎn)的形變就會變成線性的收縮或者是伸長。當(dāng)然，我們也可以用更簡單的方法，就是在剛開始捻的時候，就一直捻下去，直到這個魚線自己形成螺旋狀。但是這種方法就只能制作收縮型人工肌肉。動畫中一位研究人員展示了這種制作方法，他在一根魚線的底端掛了一個重物，然后用電機(jī)持續(xù)扭轉(zhuǎn)魚線，直到它完全成為螺旋狀，然后用一個細(xì)桿防止底端反轉(zhuǎn)。當(dāng)他用熱風(fēng)吹這個人工肌肉的時候，我們可以明顯看到重物被提升了，當(dāng)其冷卻之后，重物又恢復(fù)到了原來的位置。

螺旋卷繞驅(qū)動器的改進(jìn)

以往的螺旋驅(qū)動器有一個致命的缺點：它在自然狀態(tài)下是處于收縮狀態(tài)（圈與圈之間緊密相連），往往需要一個預(yù)拉力，將圈與圈之間拉開距離后，才能在驅(qū)動后進(jìn)行收縮。這種預(yù)拉力的需求，使得這種驅(qū)動器很難被運用到柔軟的軟體機(jī)器人。因為這個預(yù)應(yīng)力會直接導(dǎo)致軟體機(jī)器人有一個初始形變，而這種形變往往是不需要的。

研究人員通過改進(jìn)制作方法，使得這種驅(qū)動器具有了自由行程。也就是，在自然狀態(tài)下，不需要任何預(yù)拉力，螺旋驅(qū)動器的圈與圈之間都有間隙存在，因此螺旋驅(qū)動器在受熱之后都能進(jìn)行收縮，并在溫度降低之后恢復(fù)到原來的狀態(tài)。這種改進(jìn)可以使得人工肌肉得到更加廣泛應(yīng)用，比如說，它能夠克服被動力，例如摩擦力，去拉動一個物體。而在改進(jìn)以前，這種人工肌肉只能夠克服主動力，如重力。這種改進(jìn)的最大的優(yōu)點就是使得人工肌肉能夠被運用到軟體機(jī)器人上。同時，由于這種人工肌肉本身就是柔軟的，和軟體機(jī)器人有很好的兼容性。

運動可編程軟體模塊

由于這種人工肌肉本身的柔韌性，它可以被安置在一個柔軟的軟體（硅膠）內(nèi)，并且可以是任意的形狀：比如圓弧狀，螺旋狀，直線狀等等。取決于這些不同的形狀，當(dāng)螺旋驅(qū)動器被驅(qū)動的時候，就會驅(qū)動這個軟體，因此實現(xiàn)不同的運動（變形）。如動畫所示，當(dāng)螺旋驅(qū)動器是一個弧狀的U形的時候就可以驅(qū)動軟體實現(xiàn)平面的彎曲，由此驅(qū)動一個常閉的夾爪。當(dāng)是螺旋形的時候，就可以產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，驅(qū)動一個扭轉(zhuǎn)的模塊（像機(jī)械臂的手腕）。當(dāng)是三個平行線的時候，驅(qū)動其中任意一個螺旋驅(qū)動器是就可以使得這個柱體彎曲（類似大臂），也可以通過控制其中任意兩個人工肌肉輸出力的比例從而控制其彎曲的方向?？傊?，理論上我們可以實現(xiàn)任意的運動，對于簡單形式的運動，我們能夠直觀感覺，人工肌肉應(yīng)該被安置成一個什么樣的形狀，但是對于復(fù)雜的運動，就需要通過建立數(shù)學(xué)模型，去預(yù)測這些人工肌肉應(yīng)該被放置成什么樣的形狀。

人工肌肉驅(qū)動的微型機(jī)械臂

更加復(fù)雜的運動可以通過將簡單的模塊組合在一起來實現(xiàn)。例如，我們把上文介紹的三種模塊組合在一起，就可以組裝成一個軟體機(jī)械臂。動畫中顯示了這個軟體機(jī)械臂的一個應(yīng)用場景：一個機(jī)械臂可以轉(zhuǎn)動自己的手腕，使得夾爪和要夾的面平行，然后夾爪打開，抓住物體，隨后整個機(jī)械臂升高到一定的高度，最后大臂轉(zhuǎn)動將物體放入到指定的容器中。

自感知功能

同時，類似于動物的肌肉，這種人工肌肉同時具有自感知的功能。當(dāng)我們用傳統(tǒng)的驅(qū)動器，如電機(jī)，去驅(qū)動機(jī)器人的時候，往往需要很多的傳感器去檢測運動，實現(xiàn)運動的控制。人工肌肉的這種自感知功能為其運動控制提供了很好的基礎(chǔ)，使得我們能夠在不借助外部傳感器的情況下，控制它的運動。接下來的一個動畫，展示了由這種自感知功能的螺旋驅(qū)動器驅(qū)動的軟體手指，當(dāng)人用手觸摸這個軟體手指兩次的時候，這個手指感受到了外界的刺激，從而按照預(yù)定的程序彎曲60°并保持這個形狀一定的時間。如果這個軟體手指僅僅被觸摸一次，則不做出任何反應(yīng)。

作者信息

論文由科羅拉多州立大學(xué)（CSU）的趙建國教授團(tuán)隊完成，第一作者是CSU的博士生孫杰鋒合作者有CSU的 Brandon Tighe，和哈工大的劉英想教授。

相關(guān)論文

· Sun,J., Tighe, B., Liu, Y., & Zhao, J. (2020). Twisted-and-Coiled Actuatorswith Free Strokes Enable Soft Robots with Programmable Motions. Soft Robotics.

· SunJ, Tighe B, & Zhao J (2020). Integrated Actuation and Self-Sensing forTwisted-and-Coiled Actuators with Applications to Innervated Soft Robots. In2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems(IROS). Accepted.

·Sun,J., Pawlowski, B., & Zhao, J. (2018). Embedded and controllable shapemorphing with twisted-and-coiled actuators. In 2018 IEEE/RSJ InternationalConference on Intelligent Robots and Systems (IROS) (pp. 5912-5917). IEEE.