軟機(jī)器人通常由比人體肌肉還要柔軟的軟材料制造而成 ，通過(guò)控制其柔軟身體的變形來(lái)模仿自然界中各種軟體動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)，比如毛毛蟲(chóng)，蛇、魚(yú)以及水母等。和剛性機(jī)器人相比，軟機(jī)器人在柔性、靈活性、以及安全性等方面都具有優(yōu)勢(shì)。但是同時(shí)，柔性材料也帶來(lái)了一些天然缺陷，比如響應(yīng)慢及力量小等，因此大多數(shù)軟機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度較為緩慢，介于每秒0.02至0.8個(gè)身長(zhǎng)（自身身體長(zhǎng)度）。自然界中蝸牛的爬行速度為每秒0.1-0.2個(gè)身長(zhǎng)，而獵豹的速度為每秒16個(gè)身長(zhǎng)。如何讓軟機(jī)器人也能高速跑起來(lái)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。
近日，北卡州立大學(xué)（NCSU）尹杰教授團(tuán)隊(duì)和科羅拉多州立大學(xué)（CSU）趙建國(guó)教授以及紐約市立大學(xué)（CCNY）蘇浩教授團(tuán)隊(duì)合作，通過(guò)巧妙利用雙穩(wěn)態(tài)間的快速跳轉(zhuǎn)（snap-through bistability），實(shí)現(xiàn)了可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機(jī)器人（身長(zhǎng)約7厘米重量約50克），其速度可達(dá)每秒2.7個(gè)身長(zhǎng)（187.5mm/s）。同時(shí)該雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制有多方面用途，既可以實(shí)現(xiàn)水下軟機(jī)器人的快速游動(dòng)，速度可達(dá)每秒0.8個(gè)身長(zhǎng)（117mm/s）；又可以用于可調(diào)節(jié)抓力的軟機(jī)器人抓手（可抓取易碎的生雞蛋也可提起重達(dá)10公斤的啞鈴）。
北京時(shí)間2020年5月9日，論文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”為題發(fā)表在Science Advances上。
獵豹柔性脊背的啟發(fā)
獵豹的脊背柔軟且富有彈性，通過(guò)拉伸背部肌肉來(lái)控制脊背的快速?gòu)澢约吧扉L(zhǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速奔跑（圖1a）。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了柔性脊背軟機(jī)器人（圖1b），脊背的變形由軟“身體”-氣動(dòng)軟驅(qū)動(dòng)器-來(lái)驅(qū)動(dòng)。該驅(qū)動(dòng)器有上下兩層氣道，在充氣加壓后可以雙向彎曲，從而帶動(dòng)脊背的上下彎曲變形。為了實(shí)現(xiàn)脊背的快速運(yùn)動(dòng)，研究團(tuán)隊(duì)給脊背裝上了“肌肉”-預(yù)拉伸彈簧（圖1b）-來(lái)存儲(chǔ)能量，使其變身成為一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)機(jī)構(gòu)（圖1c）：背部向上彎或向下彎代表兩種穩(wěn)定狀態(tài)；背部變直時(shí)，為失穩(wěn)狀態(tài)。當(dāng)來(lái)回?cái)[動(dòng)“身體”時(shí)，“肌肉”中的能量得以?xún)?chǔ)存和快速釋放，柔性脊背在雙穩(wěn)態(tài)間來(lái)回突跳，從而實(shí)現(xiàn)類(lèi)似獵豹脊背的快速運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)將此機(jī)器人命名為L(zhǎng)EAP高性能軟機(jī)器人。
團(tuán)隊(duì)研究顯示雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制可以讓LEAP軟機(jī)器人像獵豹一樣（圖2a），快速奔跑起來(lái)，速度可達(dá)每秒2.5個(gè)身長(zhǎng)（174mm/s）（圖2b），該速度比目前報(bào)道的最快軟機(jī)器人快約3倍（圖2c）。與貼地爬行的傳統(tǒng)單穩(wěn)態(tài)軟機(jī)器人相比，團(tuán)隊(duì)顯示雙穩(wěn)態(tài)機(jī)制具有下列獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
- 更快（響應(yīng)時(shí)間縮短20倍，突跳時(shí)間約50毫秒，運(yùn)動(dòng)速度提高2倍（圖2b））
- 更強(qiáng)（力量輸出提高3倍，可以爬坡（圖2d）等）。
LEAP高性能軟機(jī)器人的多場(chǎng)合應(yīng)用
該團(tuán)隊(duì)展示LEAP機(jī)器人也可以實(shí)現(xiàn)水下的快速運(yùn)動(dòng)以及變剛度機(jī)械手的抓取等。
快速水下軟機(jī)器人：當(dāng)給軟驅(qū)動(dòng)器身后加裝一個(gè)柔性尾巴，通過(guò)左右擺動(dòng)身體，可以模擬魚(yú)的游動(dòng)（圖3a-3b）。以往研究表明，驅(qū)動(dòng)頻率越高，軟機(jī)器人游動(dòng)速度越快，在5Hz的驅(qū)動(dòng)頻率下，最快速度可達(dá)0.7身長(zhǎng)/秒（圖3c）。該研究顯示即使在低頻驅(qū)動(dòng)下（比如約1.3Hz），雙穩(wěn)態(tài)間的快速突跳使其速度也可高達(dá)每秒0.78個(gè)身長(zhǎng)（圖3c）。
變剛度機(jī)器人抓手：通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)彈簧中的拉力，機(jī)械手的剛度也可以隨之改變?；诖?，該團(tuán)隊(duì)展示了可以實(shí)時(shí)改變抓力的機(jī)械手。機(jī)械手既可以抓取易碎的雞蛋，又可以抓取不規(guī)則形狀線(xiàn)圈，礦泉水，以及直接抓取啞鈴等（圖3d）。
展望
該工作利用失穩(wěn)原理來(lái)加快軟材料的響應(yīng)，理論上該原理也可以推廣到其它雙穩(wěn)態(tài)以及多穩(wěn)態(tài)軟機(jī)構(gòu)，以及更小尺度和活性材料驅(qū)動(dòng)器比如液晶彈性體，水凝膠，形狀記憶聚合物和電介質(zhì)彈性體等。驅(qū)動(dòng)原理將不限于氣壓或水壓，可推廣至相應(yīng)的外部刺激比如溫度、pH、光、電場(chǎng)以及磁場(chǎng)等自主軟機(jī)器人。
