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  連續(xù)可控的自由變形能力是使軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)多功能的重要前提。目前，軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)變形的主要手段為調(diào)控薄殼結(jié)構(gòu)的曲率。然而，以往的薄殼類軟體機(jī)器人還存在無法自由重構(gòu)曲面或難以承受較大荷載等不足。

  近日，加州理工學(xué)院Chiara Daraio教授課題組提出了一種可以進(jìn)行可控三維曲面自由變化的軟體機(jī)器人，并且展示了其操控荷載的能力。該成果以Robotic surfaces with reversible, spatiotemporal control for shape morphing and object manipulation為論文題目發(fā)表在Science Robotics （DOI: 10.1126/scirobotics.abf5116）上。

圖1. 自由曲面軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)。

  該設(shè)計(jì)由兩層主動(dòng)網(wǎng)格和一層被動(dòng)網(wǎng)格構(gòu)成夾心三明治結(jié)構(gòu)，輔以蓋板鱗片來構(gòu)成連續(xù)的表面。主動(dòng)網(wǎng)格由嵌入了加熱電阻絲的液晶彈性體材料（LCE）構(gòu)成，可在通電加熱時(shí)收縮，起到肌肉般的作用；主動(dòng)網(wǎng)格的收縮會(huì)造成由聚酰亞胺薄膜（Kapton）構(gòu)成的中間層被動(dòng)網(wǎng)格的屈曲變形，形成波紋狀的支撐結(jié)構(gòu)，起到骨架般的作用。根據(jù)電流大小的不同，上下兩層主動(dòng)網(wǎng)格在不同方向的局部收縮變形可以進(jìn)行實(shí)時(shí)獨(dú)立調(diào)節(jié)。由于對于殼體而言，其曲率取決于上下表面的局部應(yīng)變，因此這種新型軟體機(jī)器人可以通過調(diào)節(jié)輸入到上下兩層主動(dòng)網(wǎng)格的電流自由變換曲率，形成各類曲面形狀。

圖2. 各單一構(gòu)件的材料力學(xué)性質(zhì)。

（A-E）LCE材料在電熱驅(qū)動(dòng)下的熱-力學(xué)性質(zhì)；（F-G）Kapton被動(dòng)層的平面外屈曲變形。

圖3. 一維復(fù)合三明治結(jié)構(gòu)的曲率與上下LCE主動(dòng)層收縮變形的關(guān)系。

  這種曲面軟體機(jī)器人利用液晶彈性體材料（LCE）的可重復(fù)變形性，實(shí)現(xiàn)了曲面幾何的實(shí)時(shí)可控重構(gòu)。同時(shí)，通過引入向平面外屈曲的被動(dòng)層，增加了結(jié)構(gòu)的有效剛度，解決了以往薄殼類驅(qū)動(dòng)裝置或軟體機(jī)器人難以承受較大荷載的缺點(diǎn)。該項(xiàng)研究體現(xiàn)了軟體機(jī)器人從有限變形模式向自由變形的發(fā)展方向。未來，通過使用更先進(jìn)的智能材料、更致密的網(wǎng)格和更復(fù)雜的控制電路，該設(shè)計(jì)有望用于遠(yuǎn)程人機(jī)協(xié)作、三維顯示及主動(dòng)式可穿戴設(shè)備等應(yīng)用場景。

圖4. 自由變形、操控物件及承重的展示。

（曲面軟體機(jī)器人自重為33g）

  論文第一作者為加州理工學(xué)院博士后研究員劉珂博士，通訊作者為Chiara Daraio教授。

  鏈接：https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabf5116 

  下載：Robotic surfaces with reversible, spatiotemporal control for shape morphing and object manipulation