2019年10月期刊俱乐部:软机器人的超材料方法

超材料正迅速出现在科学和工程的前沿。特别是机械超材料，被设计成具有优异的机械性能，如超高的刚度和强度重量比，或不寻常的性能，如负泊松比和负热膨胀系数。尽管早期的研究主要集中在设计具有线性弹性响应的机械超材料，但最近，非线性大变形和机械不稳定性(通常与失效有关)已经成为具有新功能的有前途的工具，包括可编程的形状转换，可调的机械性能，(1)增材制造技术的不断进步促进了功能机械超材料的制造，其复杂性前所未有。

一个有趣的途径是利用高变形机械超材料的复杂行为来增强软体机器人的性能。这个JClub条目是基于最近的一篇重点论文，其中Ahmad Rafsanjani, Andre Studart和我自己回顾了最近在这个方向上的努力

https://robotics.sciencemag.org/content/4/29/eaav7874

在先进的软体机器人中开发这种复杂的超材料可能会导致未来智能机器的设计、制造和感知的范式转变。软体机器人的设计者将不再需要组装单独的执行器，而是可以使用统一的整体系统，该系统可以直接在机械超材料结构中编程，进行复杂的运动。使用这种可编程的超材料架构使软体机器人成为可能，例如，它可以将简单的输入(如压力脉冲)转换为复杂的弯曲、张力和扭转输出序列。在超材料结构中编码变形信息的能力也允许这种架构执行器与传统的执行器相比，使用更少的输入能量执行复杂的任务。采用超材料的方法来设计软机器，大大增加了变形的自由度和可用的几何参数。虽然这使得设计更具挑战性，但它也提供了令人兴奋的机会，使机器人具有传统方法无法实现的传感、驱动和交互功能。

Beam-based结构

细长梁单元被广泛用于柔性超材料的变形模式编程，因为它们可以通过标准的3D打印方法轻松制造。通过仔细排列弹性梁单元，可以实现各种不同寻常的力学行为。例如，如果光束以可重入的微结构排列，则出现负泊松比。这类超材料被称为auxetics，拉伸时变厚，压缩时变薄，这与直觉相反。结合外延离合器和非外延离合器简化了软体机器人的三步尺蠖运动，使用一个驱动器而不是三个独立的驱动器(图1A)(3)。外延材料还允许表面很好地符合复杂的弯曲形状(4)。弹性梁不仅弯曲，而且在轴向压缩下弯曲。这种简单的现象可能会触发由规则弹性梁阵列组成的超材料的均匀和可逆模式转换。这种重构也可以通过施加负压来触发，并被用于软机器，即使在单压力输入下也能产生一系列有用的运动(图1B)(5)。此外，梁的屈曲能够在小力下产生大变形，适用于人造肌肉(6)。最后，弹性梁可以在两个稳定配置之间断裂，这可以用来存储和释放弹性应变能。如图1C所示，一个无系绳的软机器人可以根据水温变化推进自己(图1C)(7)。这些例子强调了在软机器人设计中利用梁的非线性响应的潜力，但这些系统将需要能够承受大变形(~50%应变)而不断裂和疲劳失效的材料。

图1所示。软体机器人的超材料方法。机器人的反应(2)可以通过利用基于梁、折纸和kirigami以及增强结构的柔性超材料，编程到它们柔软的身体中。(A)具有辅助和非辅助离合器组合的尺蠖运动(3)。(B)屈曲诱导的辅助执行器(5)。(C)具有温度响应双稳态元件的无系绳推进(7)。(D)具有编程快速变形和承重能力的双稳态折纸翼(9)。(E)折纸灵感的可折叠机械手(10)。(F) kirigami皮肤增强直线运动(11)。(G)针织和梭织人造肌肉(12)。(图源:T. Balkhed, Linköping大学)(H)由SMA驱动器触发的可变形针织花朵(13)。(I)在可膨胀的明胶基质中磁性对齐的颗粒制成的手性复合驱动器(14)。

折纸和kirigami

折纸艺术(origami)和kirigami艺术(kirigami艺术)折叠和切割薄片以形成3D超材料对象，已经在机器人应用中进行了可编程变形(8)。例如，折纸启发的超材料可以通过沿着预定义的折痕折叠薄片来创建。然而，传统的折纸设计无法承载机械载荷。受蠼螂翅膀可编程折叠的启发，双稳折纸结合了承重能力和快速变形能力，通过多材料3D打印刚性板，由柔软的可拉伸关节连接(图1D)(9)。在另一项研究中，Miura-Ori折叠模板被用于创建一个类似折纸的机械手(图1E)(10)。Kirigami结构通过模拟蛇皮的可拉伸性、摩擦各向异性和主动锚固来增强软执行器的爬行能力(图1F)(11)。虽然一些结构可以通过简单的折叠和激光切割方法轻松制造，但更精细的3D超材料设计可以集成到其他机器人部件中，可能需要多材料制造技术，以提供更广泛的材料化学光谱的形状复杂性。

增强系统

运动也可以通过沿特定方向对各向异性构件进行局部对准，在增强系统中进行编程。加固结构可以设计为承受从弯曲到扭曲和盘绕的变形，并且加固的刚性性质可以在承受更高机械载荷的机器人部件中受益。对于这些系统，驱动通常是通过结合各向异性力学行为的增强与刺激响应软相。这种材料可以使用各种技术来实现，例如编织、编织和粒子在外部场中的排列。针织物和机织织物最近吸引了超材料设计师，因为它们可以通过调整纱线的排列来实现灵活性、强度和形状的改变。由纺织驱动器或“肌理器”制成的人造肌肉是通过编织和编织用电响应涂层染色的纤维素纱制成的(图1G)(12)，而变形的3D物体是通过编织含有形状记忆合金(SMA)丝的混合纤维制成的(图1H)(13)。受种子荚中纤维素微原纤维局部定向的启发，通过在明胶基质中定向磁化氧化铝板来制备膨胀诱导的双层复合驱动器(图1I)(14)。尽管已经证明了具有刻意加固结构的复杂形状物体(15)，用于制造增强超材料的对齐、编织和编织方法除了通常的铸造和打印技术外，通常还需要加工步骤。

视角

软机器人的性能可以通过探索柔性超材料提供的丰富设计空间和设计制造技术来提高，使其物理实现。建立一个庞大的设计库，从中可以识别功能模块，并将其拼凑在灵活的超材料架构中，这将使软体机器人不仅可以变形并安全地与周围环境交互，而且还可以执行逻辑操作，感知和适应，即使在非结构化环境中也是如此。生物灵感和人工智能(AI)算法正在成为探索广阔设计空间的强大工具。在自上而下的方法中，生物灵感提供了丰富的设计，这些设计通过自然进化来完善，以执行目标功能。挑战在于分解这些复杂的功能和逆向工程架构，以建立受生物启发的设计，在尊重环境施加的边界条件的同时完成所需的任务。从自下而上的角度来看，人工智能应该指导我们寻找适合执行复杂终端功能的设计。一旦有希望的设计被预选，它们的实际实施将需要先进的技术来制造理想的超材料结构。使用多材料和定向组装方法的3D打印软材料的最新进展已经显示出解决制造挑战的潜力。通过涉及材料科学、机械工程、人工智能和机器人的跨学科方法，柔性超材料将很快赋予软体机器人目前无法预见的功能。

参考文献

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