今日Science Advances: 奔跑吧软机器人
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软机器人通常由比人体肌肉还要柔软的软材料制造而成, 通过控制其柔软身体的变形来模仿自然界中各种软体动物的运动 , 比如毛毛虫 , 蛇、鱼以及水母等 。 和刚性机器人相比 , 软机器人在柔性、灵活性、以及安全性等方面都具有优势 。 但是同时 , 柔性材料也带来了一些天然缺陷 , 比如响应慢及力量小等 , 因此大多数软机器人运动速度较为缓慢 , 介于每秒0.02至0.8个身长(自身身体长度) 。 自然界中蜗牛的爬行速度为每秒0.1-0.2个身长 , 而猎豹的速度为每秒16个身长 。 如何让软机器人也能高速跑起来成为了一个亟待解决的问题 。
近日 , 北卡州立大学(NCSU)尹杰教授团队和科罗拉多州立大学(CSU)赵建国教授以及纽约市立大学(CCNY)苏浩教授团队合作 , 通过巧妙利用双稳态间的快速跳转(snap-through bistability) , 实现了可以像猎豹一样奔腾的快速奔跑软机器人(身长约7厘米重量约50克) , 其速度可达每秒2.7个身长(187.5mm/s) 。 同时该双稳态机制有多方面用途 , 既可以实现水下软机器人的快速游动 , 速度可达每秒0.8个身长(117mm/s);又可以用于可调节抓力的软机器人抓手(可抓取易碎的生鸡蛋也可提起重达10公斤的哑铃) 。
北京时间2020年5月9日 , 论文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”为题发表在Science Advances上 。
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猎豹柔性脊背的启发
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【今日Science Advances: 奔跑吧软机器人】
猎豹的脊背柔软且富有弹性 , 通过拉伸背部肌肉来控制脊背的快速弯曲以及伸长 , 来实现高速奔跑(图1a) 。 受此启发 , 研究团队设计了柔性脊背软机器人(图1b) , 脊背的变形由软“身体”-气动软驱动器-来驱动 。 该驱动器有上下两层气道 , 在充气加压后可以双向弯曲 , 从而带动脊背的上下弯曲变形 。 为了实现脊背的快速运动 , 研究团队给脊背装上了“肌肉”-预拉伸弹簧(图1b)-来存储能量 , 使其变身成为一个双稳态机构(图1c):背部向上弯或向下弯代表两种稳定状态;背部变直时 , 为失稳状态 。 当来回摆动“身体”时 , “肌肉”中的能量得以储存和快速释放 , 柔性脊背在双稳态间来回突跳 , 从而实现类似猎豹脊背的快速运动 。 团队将此机器人命名为LEAP高性能软机器人 。
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图1:(a)柔性脊背软机器人来模拟猎豹在高速运动中脊背的弯曲以及伸展 。 (b)双稳态软机器人设计图。 (c)双稳态能量图 。
团队研究显示双稳态机制可以让LEAP软机器人像猎豹一样(图2a) , 快速奔跑起来 , 速度可达每秒2.5个身长(174mm/s)(图2b) , 该速度比目前报道的最快软机器人快约3倍(图2c) 。 与贴地爬行的传统单稳态软机器人相比 , 团队显示双稳态机制具有下列独特优势:
- 更快(响应时间缩短20倍 , 突跳时间约50毫秒 , 运动速度提高2倍(图2b))
- 更强(力量输出提高3倍 , 可以爬坡(图2d)等) 。
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图2:(a)类似猎豹奔腾姿态(b)单稳态无脊背软机器人与双稳态脊背软机器人(LEAP)速度对比(c)LEAP软机器人与各种机器人与动物的速度体重对比图 。 (d)LEAP软机器人爬坡
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