北京大學謝廣明團隊《Adv. Mater. Technol.》：3D打印仿生軟體兩棲機器人

來源：高分子科技

由于兩棲機器人可以使用相同的系統(tǒng)在陸地和水中移動，因此對安全、工業(yè)、國防和交通運輸產生了重大影響。與使用螺旋槳、輪子或履帶的傳統(tǒng)兩棲機器人相比，仿生兩棲機器人可以進行更好的偽裝。而軟體機器人可以實現(xiàn)類似肌肉的驅動，更準確地模擬軟生物的行為。但是對于軟體兩棲機器人來說，能否實現(xiàn)多地形適應和自主兩棲登陸是其面臨的最大挑戰(zhàn)。

近日，北京大學謝廣明教授課題組研發(fā)了一種3D打印的仿生兩棲機器人，可以實現(xiàn)在各種地面條件（如丘陵地形、斷裂面、光滑斜坡、石子路、沙灘、泥濘地形和水面）上運動，甚至可以進行兩棲登陸。   

烏龜通過四只腳的交替抬起，以匍匐運動的姿態(tài)實現(xiàn)直線運動。轉彎時，以一條腿為軸不動，其他三只腿移動而實現(xiàn)轉彎。烏龜在運動時，它的腿經歷了從圖 1b 狀態(tài)到圖 1c 的過渡。受此啟發(fā)，本研究設計了一條仿生腿。如圖 1d 和 1e 所示，仿生腿由兩個垂直的氣囊組成，氣囊之間的連接充當仿生關節(jié)。仿生腿可以通過單一的驅動壓力輸入成功實現(xiàn)3D運動（圖2）。

圖 1. 受烏龜啟發(fā)的仿生腿和軟體兩棲機器人的設計。

圖 2. 仿生腿運動示意圖。

仿生腿的設計與制造，為制造經典氣動致動器提供了一個新思路：通過內部預先設計支撐，以實現(xiàn)軟材料進行3D打印（單只仿生腿的成本不到人民幣1元）。并且支撐的存在也限制了充氣后致動器的膨脹，實現(xiàn)了更大的彎曲。此外，仿生腿只需一個輸入口即可實現(xiàn)三維運動進行移動和跨越障礙。由電機驅動的機器人腿需要兩個或多個電機才能實現(xiàn)三維運動，很多軟體機器人的腿也需要三個輸入口才可以實現(xiàn)三維運動。減少的輸入的數(shù)量也會減少氣體及能源消耗，并且提高響應速度。   

通過對仿生腿運動順序的編程，可以實現(xiàn)不同的運動步態(tài)。學習烏龜?shù)倪\動步態(tài)開發(fā)了直行和轉彎步態(tài)，這使得機器人能夠實現(xiàn)類似于烏龜?shù)倪\動行為。另外，外殼的設計和制造也可以針對任何一種烏龜?shù)男螤钭杂稍O計，腿部可以被更逼真的硅膠膜覆蓋，以提高生物欺騙性。

機器人的運動（包括其速度和方向控制能力）是軟體機器人的基本功能之一，是評價機器人性能的重要指標。迄今為止，研究的大多數(shù)軟體機器人的移動速度在 0.02 到 0.8 (BL/s) 之間。本機器人在剛性地形上具有較快的運動速度（0.97 BL/s）。軟體機器人的轉彎能力可以達到 25.4°/s，這是大多數(shù)具有超快運動速度的軟體機器人所不具備的。如視頻中展示，在陸地上，該機器人展現(xiàn)出了出色的綜合運動能力，可以在傳感器感應下實現(xiàn)連續(xù)自主避障。這項測試展示了機器人出色的可控性，其潛在的應用包括未知環(huán)境下的自動運動規(guī)劃及自然地形的導航等。

圖 3.直線運動模式的演示

圖 4.轉彎運動模式的演示

并且，當面臨狹窄通道時，該機器人可以實現(xiàn)原地轉彎。在狹窄通道中執(zhí)行任務時，這種機動性是必不可少的。

還設計了水中游動模態(tài)，實現(xiàn)了機器人模仿烏龜?shù)膬蓷�運動能力。

綜上， 本成果展示了一種以3D打印方式開發(fā)的低成本軟體兩棲機器人，以及其在非結構化環(huán)境中的運動能力。與現(xiàn)有的軟體機器人相比，該軟機器人具有五個獨特的優(yōu)勢。首先，仿生腿的設計與制造為軟材料打印、中空結構制造、經典致動器設計制造提供了新思路。第二個優(yōu)勢是他們僅使用四個輸入就完成了機器人的運動建模和六個步態(tài)的開發(fā)。第三，軟體機器人出色的承重能力，顯示了開發(fā)無纜的機器人的潛力。第四，軟體機器人的運動能力。在同類型機器人中具有最高的地形適應性，并且直線速度最快，也是具備最快轉彎速度的軟體機器人之一。最后，其在非人類協(xié)助下進行兩棲登陸的能力，以及對生物形態(tài)和運動方式的高度偽裝，顯示出其在搜索、偵察等軍事領域的巨大應用潛力。   

相關成果以“A Fully 3D-Printed Tortoise-Inspired Soft Robot with Terrains-Adaptive and Amphibious Landing Capabilities”為題發(fā)表于Advanced Materials Technologies上，文章的第一作者是謝廣明教授課題組的博士生武明信，共同通訊作者是王晨副研究員和謝廣明教授。

原文鏈接：https://www.researchgate.net/publication/361560126