我科學家研制出新型微型軟體攀爬機器人

體長從6毫米到90毫米、質量從0.2克到3克不等，能在不同形貌，如圓柱面內(nèi)外側、波浪面、楔形面、球面等表面攀爬，還能在兩個不同表面之間過渡——近日，清華大學航天航空學院張一慧教授課題組創(chuàng)新研制出一種可適應不同形貌墻面的微型軟體攀爬機器人。

具備攀爬能力的微型機器人由于其微小的身軀，可以代替人類進入復雜、非結構化環(huán)境中執(zhí)行特殊任務，在探測、生醫(yī)等方面有著巨大應用價值。由軟材料組成的類肌肉軟驅動器可以為機器人提供極佳的靈活性、適應性和機械魯棒性，相應的微型軟體攀爬機器人也得到了研究者的廣泛關注。然而，如何實現(xiàn)微型軟體攀爬機器人在多種形貌表面上攀爬，甚至在兩種不同表面之間過渡，仍然存在巨大挑戰(zhàn)。

在本研究中，課題組基于液晶彈性體的定制化驅動應變設計策略和屈曲組裝方法，開發(fā)了一系列具有可定制三維變形能力的小尺度電熱驅動器，其具有豐富的三維構型和多樣的驅動變形能力。與現(xiàn)有的電驅動三維驅動器相比，該類驅動器在毫米尺度（從1毫米到10毫米）可實現(xiàn)復雜的變形效果以及最大的彎曲變形角度。此外，該驅動器在溫度作用下還具有形狀可恢復以及剛度可調控的特性。

基于上述可定制三維驅動器制備，課題組設計了一款包含可重構靜電吸附腳掌、可變形身軀和智能關節(jié)三部分的微型軟體攀爬機器人。通過對機器人變形性能以及腳掌吸附性能的表征與分析，可實現(xiàn)機器人在圓柱面內(nèi)外側、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。

受浮游生物水螅多種運動步態(tài)的啟發(fā)，研究人員通過對可變剛度“智能關節(jié)”的控制，實現(xiàn)了機器人在步進、“翻筋斗”前進和翻轉過渡三種運動步態(tài)之間的按需切換。最終，機器人可以在不同材質、不同粗糙度、不同形貌墻面攀爬，并在兩種不同墻面之間過渡。

張一慧介紹，“解鎖”了這一新技能后，該微型軟體攀爬機器人可進入一些狹窄、復雜的環(huán)境中，代替人類執(zhí)行探測等作業(yè)任務。例如在飛機發(fā)動機、煉油機等復雜系統(tǒng)中，該機器人可以經(jīng)歷各類管道、齒輪等曲面結構，到達指定位置進行故障檢測等任務。

相關研究成果于近日在《美國科學院院報》以《一種基于可變形三維驅動器的可在復雜表面攀爬和過渡的微型軟體機器人》為題發(fā)表。（記者鄧暉）