这条胶带成精了：仿“尺蠖”软体机器人，新型智能材料模仿肌肉收缩！

传统机器人往往采用电机驱动控制，他们精确有力但却也 蕴含危险，动作僵硬 。 近年机器人的研究热点之一便是 科学家们抛弃了传统的电机制造的机器人，开始尝试开发智能材料，来模仿生物肌肉收缩。

 

多伦多大学 “材料科学工程部” 的Hani Naguib教授及其小组提出了一种新型的智能材料并制造了一只软体机器人“尺蠖”（读音huo）。这个机器人的外表平平无奇，看起来如同一片黑色的胶带，有着四只铜脚。但你可不能小瞧它，借助神奇的“智能材料”技术，间断性的通电就可以实现尺蠖的爬行运动！

 

如图是文中介绍的软体机器“尺蠖”和真实的尺蠖对比（图1）

图1

 

Naguib教授团队发现了一种新颖的方法来对智能材料进行编程，Naguib他的团队将这项技术应用于机器人领域，创造了可以卷曲的“软体”驱动器，该驱动器在12V的电压下可实现540度三维弯曲，并制造了一个软体机器人来模拟尺蠖蠕虫爬行的动作。Naguib教授认为该智能材料还可能被应用于航空，手术以及可穿戴智能设备中。

 

Hani Naguib团队的研究重点之一是电热执行器（electrothermal actuator，简称ETA），也就是尺蠖机器人身体的黑色部分。这是一种由特殊聚合物制成的材料，在制作过程中，对其材料进行特殊的“编程”，从而使它对外界电或热的变化做出物理响应。例如，可以对ETA进行编程以模仿肌肉反射，在低温时收缩，在高温时会舒张，从而通过控制外界温度变化，就可以实现对于材料的“控制”。

 

小知识：智能材料多指对于外界给与的刺激可以做出反应（例如收缩，弯曲）的材料，刺激包括光，力，电场，磁场，温度等。常见的智能材料有形状记忆合金，形状记忆高聚物，压电材料，介电弹性体等。

 

研究成果由HaniNaguib教授及其团队于2019年8月份发表在nature旗下开源综合性期刊“科学报告”（scientific report）上。文末有文章链接和信息。

 

蠕虫爬行的视频如下

图2是视频中运动分解图

图2

 

原理：尺蠖的四只脚是导电的铜片，通电后可以加热机器人本体。本体基于形状记忆原理在常温下保持弯曲的样子。每每通过路径给它通12V的电压20s，机器人受热会从弯曲状态伸展。20s后停止通电，一段时间后随着热量的消散，它会再次回到最初记忆的弯曲形状。尺蠖的尾巴是硬质的材料，产生阻力从而推动机器人向前，以此反复执行来实现爬行的运动。

 

美国每日科学网 (ScienceDaily)近日也对该研究以及研究团队进行了如题报道： ”像蠕虫一样运动的软体机器人” （Soft robot programmed to move like aninchworm）。小编希望通过整理该报道和论文原文内容，让大家可以大致窥探到这只软体“蠕虫”的奥秘。

 

文章第一作者博士生Sun解释说：“现有研究基本上是对一块平坦的ETA材料进行编程，因此制作的驱动器的响应只是二维的弯曲运动。”相比之下，他们创造的ETA驱动器有3维的状态。他们使用了一种热致应力松弛和固化方法，为复杂的形状和运动提供了更多可能性。Sun还表示：“我们制作的ETA驱动器相对来说驱动效率也是很大的，要比迄今为止研究文献中所存在的任何驱动器效率更高。”

 

驱动器的显微镜图：

图3

如图3，该研究中提出的新型的ETA是将PDMS（Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷）层和SWCNT（single-wall carbon nanotubes，单层碳纳米管）层通过特殊的制造方法（详请可参考文末原文链接）融合。

图4

可编程的ETA具体展示如图4，ETA由PDMS和SWCNT层混合制造，当我们把左图中两种材料混合制造的ETA扭曲720度并且通电（7V）加热一段时间后，撤掉电源冷却以后改材料仍然保持原状（图4右图），这种变形是研究者指出的三维的形状记忆效果。

图5

图5是纯PDMS的薄片。对PDMS进行如之前ETA图4的操作，冷却后没有办法维持720度的扭转（如图5右图），无法保持形状记忆。

 

下面是ETA驱动器弯曲的视频

下面是弯曲驱动器的视频截图

图6

 

图中展示了ETA驱动器在通电加热的情况下，随着时间的变换，驱动器弯曲的变化。

 

Naguib在采访中表示，这些可编程的变形软机器人有很高的应用价值，它可以在航空，手术和可穿戴电子产品等领域发挥作用。他提出了一些潜在的其他的应用场景，例如，发生煤气泄漏或火灾，可以为爬行软体机器人配备传感器以测量有害环境”

 

“我们正在努力将这种材料应用于服装。这些服装会根据体温而伸展收缩，这可能对运动员有治疗作用，”Naguib说。该团队还在研究这类智能服装是否对脊髓损伤有益。

 

在未来一年的研究中，Naguib的团队致力于加快“尺蠖”软体机器人的响应速度，并研究一些其他的应用场景。他说：“目前我们已经“训练”这种材料像蠕虫一样运动，我们希望未来可以模仿更多的运动，例如蝴蝶的翅膀。”

 

参考文献：

Yu-ChenSun, Benjamin D. Leaker, Ji Eun Lee, Ryan Nam, Hani E. Naguib. Shapeprogramming of polymeric based electrothermal actuator (ETA) via artificiallyinduced stress relaxation. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI:10.1038/s41598-019-47949-0

文章网址：

https://nature.com/articles/s41598-019-47949-0#Sec2

Naguib教授的个人主页

https://mse.utoronto.ca/faculty-staff/professors/naguib/

ScienceDaily报道主页

https://www.sciencedaily.com/releases/2019/10/191007115234.htm

END

招聘内容编辑

为更好的服务于广大粉丝，提供更优质全面的机器人行业内容，现机器人大讲堂微信公众号面向粉丝招聘内容编辑一职，具体要求如下：

工作内容：

关注机器人领域前沿科技、行业动态和热点事件，负责机器人大讲堂原创内容生产、热点事件深度报道、行业专家企业家深度采访等。

岗位要求：

1、有工科背景或从事工科编辑背景，机器人方向优先；

2、文字功底较好，有新媒体编辑思维，具有一定语的翻译能力，对视频剪辑有一定的基础；

3、具有创业精神和责任心，沟通能力强，踏实肯干；

4、如应届生需毕业于知名重点大学。

薪酬待遇：

不低于行业标准的薪酬福利

五险一金+补贴

与国内外一线大咖、行业翘楚面对面交流的机会

简历投递：

投递邮箱：670749331@qq.com

联系电话：15600089673

加入社群

机器人大讲堂Rob社群开始招募啦！如果您正在从事或想要从事机器人行业、想要学习这一方向，都欢迎您加入我们共同探讨机器人前沿科技。

另外，腿足机器人、医疗机器人、工业机器人专业讨论群正在招募中，欢迎各位专业领域的小伙伴加入。

在机器人大讲堂公众号对话框回复“交流群”获取入群方式！

招募作者

机器人大讲堂正在招募兼职内容创作者和专栏作家

请将简历和原创作品投至邮箱：LDjqrdjt@163.com  

我们对职业、所在地等没有要求，欢迎有兴趣有能力的朋友加入！

看累了吗？戳一下“在看”支持我们吧！