微型软体机器人能源驱动技术研究进展

具有高柔顺性、低能耗、高功率等特点的微型软体机器人在管道检修、战场侦察等复杂环境中具有广阔的应用前景。能源与驱动器决定了微型软体机器人运动方式和运动性能。为使更多研究人员了解现有柔性驱动技术及其能量来源的研究进展,从物理能源驱动、化学能源驱动以及生物混合驱动三方面入手,总结了基于这三种能源的典型驱动方式并分析其优劣。对现有柔性驱动及其能源存在的不足与未来发展进行讨论与总结,可为后续软体机器人柔性驱动技术发展与性能提升提供参考。

随着科技的发展，机器人与人类的生活紧密 联系在一起。刚性机器人已广泛应用于工业生 产、生活服务、军事侦察等领域［１－３］ ，为人类的生 产生活带来极大的便利。然而，当面临狭窄弯曲 的复杂环境时，传统刚性机器人受自身刚性结构 的制约无法完全发挥出其优势。此时，大自然中 的软体动物（如毛毛虫、蛇等）给予科研人员启 发，这些动物凭借着其柔软的身材可以轻松灵活 地通过各种复杂环境。通过对这些动物结构和运 动方式的研究，软体机器人便应运而生。 软体机器人作为仿生机器人的延续，由柔性 材料制成。它可以轻松改变形状和尺寸［４］ ，弥补 了刚性机器人的不足，在生物医疗、应急救援、管 道检修等领域具有广阔的应用前景［５］ 。我国软 体机器人的研究起步于 ２０世纪 ９０年代，上海交 通大学马建旭团队受蚯蚓启发设计了用于狭窄管 道检修的机器人［６］ 。该机器人使用记忆金属作 为机器人的动力源，模仿蚯蚓的蠕动过程。该机 器人的研究对我国软体机器人的发展具有历史性 意义。驱动器作为软体机器人的动力转换部件，是 决定软体机器人运动方式和运动性能的关键要 素［７］ ；能源作为软体机器人运动的动力来源，是 决定软体机器人的运动能力的重要环节。因此， 如何开发适合微型软体机器人的驱动器及其驱动 能源成为制造软体机器人的关键点。通过对微型软体机器人现有驱动器及能源类型进行分析，其 供能方式可分为：①物理能源驱动，如形状记忆合 金（ｓｈａｐｅｍｅｍｏｒｙａｌｌｏｙ，ＳＭＡ）驱动［８－１１］ 、介电弹 性体（ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｅｌａｓｔｏｍｅｒ，ＤＥ）驱动［１２－１６］ 、磁场驱 动［１７－１９］ ；②化学能源驱动［２０－２２］ ，如过氧化氢分解 驱动［２３－２５］ ；③生物混合驱动［２６－２７］ ，如心肌细胞驱 动［２８－３０］ 、骨骼肌细胞驱动［３１－３３］ 。在此基础上，本 文首先对基于不同能量来源的驱动方式进行归纳 总结并阐述其基本驱动机理；然后结合现有国内 外研究现状，总结所述驱动的优势与不足；最后， 对未来柔性驱动发展提出思考，为未来微型软体 机器人的发展提供参考。