中國學(xué)者通過引入智能材料，解決連續(xù)型機(jī)器人局部剛度的主動(dòng)調(diào)控問題

????????警用裝備網(wǎng)訊：?連續(xù)型機(jī)器人在城市搜救、微創(chuàng)手術(shù)、雜亂環(huán)境巡檢等特定場景下，具有明顯優(yōu)于傳統(tǒng)機(jī)器人的優(yōu)勢。然而，由于連續(xù)型機(jī)器人受結(jié)構(gòu)剛度的均勻性和單一性問題，在變化的曲率相互作用場景中其運(yùn)動(dòng)往往受到限制。

　　在該研究中，中山大學(xué)吳嘉寧副教授團(tuán)隊(duì)貢獻(xiàn)了核心思想及相應(yīng)的解決方案，提出了以張拉整體結(jié)構(gòu)作為連續(xù)型機(jī)器人構(gòu)型的機(jī)構(gòu)框架，并依托大連理工大學(xué)彭海軍教授團(tuán)隊(duì)的力學(xué)分析方法，證明了所提解決方案的有效性。

　　隨后，基于低熔點(diǎn)合金的相變特性，該團(tuán)隊(duì)制作了一款熱驅(qū)動(dòng)的可編程智能彈性元件，為解決方案的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)支持。在該彈性元件力學(xué)特性的分析過程中，南方科技大學(xué)劉吉副教授團(tuán)隊(duì)在材料領(lǐng)域豐富的表征經(jīng)驗(yàn)為本項(xiàng)研究提供了寶貴的建議。

　　在該研究中，研究團(tuán)隊(duì)通過將低熔點(diǎn)合金（熔點(diǎn)：47℃）注入彈性橡膠管內(nèi)，提出了一種工藝簡易、造價(jià)低廉的可編程剛度彈性元件。

　　由于低熔點(diǎn)合金在室溫情況下呈現(xiàn)出固體特性，該彈性元件處于剛度極大的狀態(tài)；在銅絲加熱產(chǎn)生的焦耳熱作用下，融化的低熔點(diǎn)合金使彈性元件展現(xiàn)出了彈性的特征，能夠產(chǎn)生較大的拉伸變形?；诖?，研究人員使連續(xù)型機(jī)器人內(nèi)部彈性元件的主動(dòng)剛度調(diào)控成為可能。

圖丨可編程彈性元件的制備過程（來源：Advanced Materials Technologies）

　　為了進(jìn)一步探究這種彈性元件的相關(guān)性能，研究人員分別利用紅外熱成像技術(shù)、拉伸試驗(yàn)裝置表征該彈性元件的溫度變化及力學(xué)特性，并證明該彈性元件的楊氏模量能夠在 1.79 和 271.62MPa 間切換。

圖丨彈性元件的力學(xué)特性（來源：Advanced Materials Technologies）

　　基于上述的實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，充分證明了這種彈性元件能夠?qū)崿F(xiàn)剛度的主動(dòng)編程。隨后，研究人員以張拉整體結(jié)構(gòu)模塊為例，展示了模塊在裝配這種彈性元件之后的各種變形特征。

圖丨張拉整體結(jié)構(gòu)模塊的變形調(diào)控（來源：Advanced Materials Technologies）

　　課題組成員將 12 個(gè)張拉整體結(jié)構(gòu)模塊串聯(lián)形成一個(gè)連續(xù)型機(jī)器人，并通過控制電流編程彈性元件的楊氏模量，實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)型機(jī)器人局部剛度的主動(dòng)調(diào)控。

圖丨可編程剛度的連續(xù)型機(jī)器人（來源：Advanced Materials Technologies）

　　最后，該團(tuán)隊(duì)采用型材構(gòu)建了一個(gè)迷宮環(huán)境，用于評估這種基于低熔點(diǎn)合金的剛度主動(dòng)調(diào)控方案的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過采用電流加熱彈性元件的方式，能夠?qū)崿F(xiàn)對局部剛度的有效調(diào)控，進(jìn)而使連續(xù)型機(jī)器人能夠按照預(yù)期的形態(tài)與環(huán)境交互。

　　圖丨可編程剛度的仿生連續(xù)體機(jī)器人在 H 型迷宮中的環(huán)境交互性能（來源：Advanced Materials Technologies）

　　盡管該研究已初步實(shí)現(xiàn)了對連續(xù)型機(jī)器人局部剛度的主動(dòng)調(diào)控，但是在剛度調(diào)控的實(shí)時(shí)性方面仍需要進(jìn)一步提高。

　　據(jù)悉，在未來的工作中，他們將進(jìn)一步通過結(jié)合先進(jìn)制造模式、智能材料合成等領(lǐng)域，賦予連續(xù)型機(jī)器人近似生物附器的精巧運(yùn)動(dòng)/操作能力，從而使其在面對復(fù)雜的環(huán)境需求時(shí)，能夠智能化地與環(huán)境共融交互。

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