各類智能材料在機器人中的應用

機器人發(fā)展初期多是由連桿、電機和編碼器等剛性元件構成，相關研究集中在結構設計、動學、動力學和控制上。近期，智能材料的不斷突破為機器人的研究開辟了一條新的道路。不像鋼鐵等“沒有靈魂”的材料，智能材料具有一定的“生命”，他們會對電、熱、磁、光等外界信號的刺激作出響應，從而身體會變形，產(chǎn)生彎曲、伸長、扭轉(zhuǎn)等運動。并且很多智能材料的電阻、電容、磁性和光導效應等在變形或者受到外力時會發(fā)生改變，具有天生的傳感能力。將智能材料用于機器人中，可以使機器人本體具有一定的智能驅(qū)動和傳感能力，在不需要控制信號的情況下，就可以自主地運動，使身體“活”起來，并且可以憑借傳感“記錄”自己身體的變形和受到的外界力等信息。

在清華大學孫富春教授的指導和支持下，北京科技大學副教授郝雨飛和清華大學孫富春教授團隊方斌等成員合作對智能材料和機器人的結合與發(fā)展進行了長篇綜述分析，在機械工程學報英文版發(fā)表論文“A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robotics Applications”，從驅(qū)動和傳感兩個方面對各類智能材料在機器人中的應用進行了系統(tǒng)地介紹。

1、智能驅(qū)動

1.1 電驅(qū)動材料

電驅(qū)動材料是在電場的作用下可以產(chǎn)生形變的材料。在電驅(qū)動材料中，應用比較廣泛和成熟的是介電彈性體（Dielectricelastomer，DE）。如圖1所示，DE一般由兩層柔性電極層和一層介電層組成，介電層夾在電極層中間。在沒有電壓的時候，介電層不會變形。當施加高電壓（一般為數(shù)千伏）時，兩個電極層中間的電場會產(chǎn)生麥克斯韋應力，使介電層在該力的作用下會受壓變形，導致縱向厚度減少，橫向面積擴大，從而將電能轉(zhuǎn)化為機械能。

圖 1 DE工作原理

DE的這種電致擴張效應被廣泛應用于機器人中作為驅(qū)動部件。相比電機等剛性驅(qū)動器，DE結構緊湊，操作簡單，通過結構設計可以實現(xiàn)各種不同的運動。比如將圓形DE的外周固定，中間貼上磁鐵。施加電壓后它的面積膨脹會鼓起，斷開電壓后，又會受到磁鐵的吸力恢復原形，利用這種往復運動可以制作微流體隔膜泵。限制某一個電極層使它不能延展，會使整個DE驅(qū)動在電場力的作用下彎曲，從而產(chǎn)生搖擺運動，利用這個特點，可以制作各種各樣的仿生機器人。

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1.2 熱驅(qū)動材料

熱驅(qū)動材料是對溫度比較敏感的材料。當通過電流等直接加熱或者紫外光等間接加熱方式把材料加熱到一定溫度后，材料的分子間構成會發(fā)生改變，從而導致彈性模量下降或者變形收縮等。形狀記憶聚合物（Shape memory polymer， SMP）就是一種當加熱溫度超過玻璃轉(zhuǎn)化溫度后，彈性模量急劇下降的熱響應變剛度材料。它的彈性模量最多可以降低數(shù)百個量級，因此被廣泛用在機器人中來改變機器人的局部剛度，豐富機器人的構型。利用溫度還可以對其進行編程，使其具有一定的形狀記憶效應。如將SMP部署在折紙機構的關節(jié)處，當加熱后，折紙機構會自動從二維平面折疊到三維結構（圖2b）。通過編程SMP，使其加熱后從彎曲狀態(tài)伸直，可以驅(qū)動自重構機構從二維平面機構重構到三維機構（圖2c）。當編程使其加熱時彎曲，還可以制成微型抓持手，使抓持手在彎曲時包覆并抓取物體，冷卻后由于彈性模量增大，還可以保持彎曲態(tài)將物體鎖住（圖2d）。

圖2 基于SMP的機器人

1.3 磁驅(qū)動材料

磁驅(qū)動材料多是將磁性粒子混入硅橡膠等軟材料的復合材料。在磁場的作用下，磁性粒子可以被磁化，產(chǎn)生有效的磁化曲線，而磁化曲線的方向和幅值等也是可以被改變的。當將磁響應材料制成的驅(qū)動器置入磁場中時，空間分布的磁場將和磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁場和空間磁場對齊，從而產(chǎn)生扭矩，導致收縮、伸長和彎曲等變形。通過改變驅(qū)動信號、磁化曲線、材料的形狀和剛度等，可以設計出不同變形模態(tài)的驅(qū)動器。由于磁場可以穿透大范圍的材料，并且可以實現(xiàn)無纜驅(qū)動，磁性驅(qū)動器是在狹小空間下作業(yè)的理想選擇，被廣泛用在微型無拴機器人中。機器人智能AI&ROBOT，2018 #清華 #并聯(lián)機器人 #軟體手 水果#抓取

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如圖3a的仿生微型水母機器人就是采用磁性復合材料作為驅(qū)動的，在外界震蕩磁場的作用下，驅(qū)動器通過不同的擺動策略驅(qū)動周圍的流體產(chǎn)生不同方向的流動，從而使機器人可以上浮、下潛等。通過磁場控制復雜的磁化曲線，還可以實現(xiàn)微型機器人在不同的液體和固體地形之間切換的多模態(tài)運動，使其在液體的內(nèi)部和表面游動，攀爬站臺，在堅固的表面上滾動和行走，越過障礙物以及在狹窄的隧道內(nèi)爬行等（圖3b）。磁響應材料的制備最重要的是對磁性粒子的磁化和編程，一般是將復合材料置于磁場中來磁化磁性粒子。更為新穎的方法是通過3D打印來實現(xiàn)。如圖3c所示，在打印噴嘴的周圍布置固定磁場或者電磁場，當打印帶有鐵磁粒子的復合油墨時，油墨經(jīng)過噴嘴時便會磁化磁性粒子，使其沿磁場方向布置，通過這種方式可以打印各種復雜磁化曲線的機器人，使它們在磁場的作用下產(chǎn)生各種復雜的特定運動（圖3c）。通過這種方式打印出來的連續(xù)體機器人，尺寸可以達到亞毫米級別，并且可以在磁場的引導下沿任意方向運動，相比線驅(qū)的或者氣動的連續(xù)體機器人，這種磁驅(qū)動機器人不但可以實現(xiàn)無纜驅(qū)動，并且更加靈活，是醫(yī)療內(nèi)腔手術等狹小空間作業(yè)的機器人的一個前景方向（圖3d）。

圖3 基于磁響應材料的機器人

1.4 光驅(qū)動材料

與磁驅(qū)動類似，光驅(qū)動也具有可遠程控制、響應迅速、微小型化等特點。光驅(qū)動材料通常是在硅膠、液晶彈性體等聚合物中添加對光比較敏感的填充物來形成，在光照的情況下，它們可以彎曲、收縮或者膨脹等，并且這些變形都是可逆的。改變光的波長、強度和照射時間等都可以影響這些驅(qū)動器的響應，從而對光驅(qū)動機器人編程，使它們實現(xiàn)期望的運動。光照也可以誘發(fā)光化學反應，從而提供能量使機器人運動。圖2-10a中的微型馬達就是利用氯氧化鉍（Bismuth oxyiodide，BiOI））作為光催化劑引發(fā)的系列氧化和還原反應來驅(qū)動本體自發(fā)前進的。BiOI可以被包括藍光和綠光等系列可見光激活。微型馬達由兩個半球組成，一個半球外表面覆蓋金屬，另外一個半球外表面覆蓋BiOI，在可見光照射下，BiOI中的電子被吸引到金屬層，使負電荷在金屬層聚集，而BiOI半球則聚集因水被氧化而產(chǎn)生的H+離子。為了平衡金屬半球的負電荷，H+則從BiOI半球遷移到金屬半球，然后和電子發(fā)生還原反應。H+的遷移伴隨著水分子到金屬半球的電滲透，從而推動微型馬達前進（圖4a）。將偶氮苯衍生物分散紅1丙烯酸酯添加到液晶網(wǎng)格（Liquid crystal network，LCN）中，形成的聚合物在水中時內(nèi)部的水分會在光熱作用下解吸，結構消溶脹，利用這種原理可以實現(xiàn)類花朵的結構在光照的時候自動收攏，無光照時吸收水分溶脹自動綻開（圖4b）。將炭黑摻入SMP中，通過3D打印打印出的花朵經(jīng)過編程后也可以在光熱作用下使花朵遇光之后會自動綻放（圖4c）。將光熱單丙烯酸偶氮苯衍生物摻入LCN，它們會吸收特定波長的光，然后通過異構化作用釋放熱量，釋放的熱量會導致熱膨脹。通過結構控制熱膨脹部位，可以使彎曲的結構在光照下伸直。圖4d就是利用這種原理制作的微型搬用機器人，通過光照控制腿和手的彎曲，機器人可以實現(xiàn)貨物的抓取、搬運和投遞等各種復雜的任務。

圖4 基于光響應材料的機器人

2 智能傳感

2.1 變阻傳感器

變阻傳感器可以將外界信號轉(zhuǎn)換成電阻的變化，根據(jù)電阻的基本公式R=ρL/S（R為電阻，ρ為電阻率，L為電阻的長度，S為電阻的截面積）可得，當電阻的L和S改變時，電阻值也會發(fā)生改變。因此變組傳感器的基本原理是將外界變形、受力等信息轉(zhuǎn)換成L和S的變化，進而使電阻值發(fā)生改變。

為了實現(xiàn)對不同信號如拉伸變形、法向力和剪切力等的反饋，變組傳感器通常需要將不同的導電材料設計為不同的結構，利用結構在特定力下的特定變形來反饋信息。在各種導電材料中，液態(tài)合金因為其導電性高、液態(tài)無定形等特點被廣泛用來制作各種變組傳感器。常用的液態(tài)合金材料主要有EGaIn和GaInstan這兩種，它們在常溫下就可以呈現(xiàn)液態(tài)。將液態(tài)合金注入到各種微流體腔道中，微流體腔道在外界刺激下的變形就會導致液態(tài)合金電阻的變化，從而反饋外界信號。如圖5a所示的液態(tài)合金變阻傳感器，它有三層腔道組成，下面兩層呈正交的蜿蜒蛇行，在承受x和y方向拉伸時相對應的電阻就會增加，從而可以檢測軸向拉伸，上面一層為圓環(huán)狀，在承受法向壓縮時電阻會增加，從而可以檢測法向應力。圖5b所示的傳感器構型，在相互獨立的液態(tài)合金腔道上面放置一個剛性受力桿，在不同方向力的作用下，剛性桿會沿受力方向壓縮不同的腔道，從而使該腔道的電阻值發(fā)生改變，所以該傳感器可以檢測不同方向的力?；陬愃频脑恚瑘D5c的傳感器將液態(tài)合金腔道相互呈90°圓周布置在突起的四周，可以實現(xiàn)檢測法向力和剪切力等功能。在法向壓縮時，所有腔道的電阻值都產(chǎn)生同等的變化，而在在剪切力作用下，一個腔道的電阻減小，對立面腔道的電阻增加，不但可以檢測檢測剪切力的大小，還可以檢測力的方向。

圖5 基于液態(tài)合金的變組傳感器

2.2 變?nèi)輦鞲衅?/p>

變?nèi)輦鞲衅魇菍⑼饨缧盘柸缱冃魏蛪毫Φ绒D(zhuǎn)換成電容變化的傳感器。根據(jù)檢測信號的不同電容傳感器可以設計為各種各樣的形狀，而在機器人應用中較為廣泛的是平行板電容器。平行板電容器的結構一般為兩個電極板之間夾一層介電層。根據(jù)平行板電容的公式（C為電容，為絕對介電常數(shù)，為相對介電常數(shù)，S為兩個平行板之間的重疊面積，d為平行板之間的距離）可知，當S或者d改變時，平行板的電容也會隨著改變，因此這類傳感器的設計原理是通過被檢測信號改變S或者d，從而改變電容。

利用平行板電容的原理可以實現(xiàn)單方向應變和法向力等單維信號的反饋。圖6a的傳感器是利用變?nèi)輦鞲衅鳈z測應變信息，通過將可延展的導電纖維布粘接在硅膠介電層的上下面，當拉伸傳感器時，傳感器的面積會增加，中間硅膠介電層的厚度也會減小，從而導致電容增加。在法向壓力的作用下，平行板電容之間的距離減小，導致電容增加，因此可以用來檢測法向壓力。由于中間介電層的厚度較薄，如果采用實心的硅橡膠作為介電層的話，靈敏度和精度都比較低，因此會在這類傳感器的介電層中添加很多微結構。與實心結構相比，微結構不但可以使傳感器在受到同樣壓力時位移增大，還由于結構在壓力作用下相互擠壓，增加了等效介電常數(shù)，因此大大提高了這類傳感器的精度和靈敏度。這些微結構中，具有代表性的是通過刻蝕硅片加工而成的金字塔結構，單個微結構的尺寸最大僅為6 μm。將這種微結構夾在氧化銦錫涂層的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜電極中（Indiumtin oxide coated PET，ITO/PET），便可以制成超薄的電容傳感器，但是這類傳感器加工成本較高（圖6b）。也可以通過在硅膠中添加制孔劑來制造多孔介電層。如圖6c所示的傳感器，通過在PDMS中添加直徑可以小到2μm聚苯乙烯顆粒，等硅膠凝固后，用二甲基甲酰胺將聚苯乙烯顆粒溶掉就可以得到均勻的多孔介電層。這類工藝還可以用NH4CO3、糖等可氣化或可溶物體來作為制孔劑。通過等離子表面處理預拉伸后PDMS上表面，釋放后由于上表面和下表面恢復程度不同，也可以制成微波紋狀的介電層（圖6d）。

圖6 單維電容傳感器

2.3磁性傳感器

磁性傳感器是將外力和變形等信息轉(zhuǎn)化為磁場變化的傳感器。磁場傳感器一般有兩個重要部分組成：磁性物體和霍爾傳感器。磁性物體一般為永久磁鐵或者帶磁性的軟物質(zhì)等，受外力或者變形時，它們周圍的磁場會相應的改變，而磁場的變化通過霍爾傳感器來進行檢測。如圖7a的軟體磁性皮膚，將磁性微粒子混合到硅膠中制成薄膜，在薄膜底面布置可以檢測磁場的磁力計，當薄膜受到局部壓力時，相應部位的磁性粒子會相互擠壓，導致該部位的磁場變化，這個傳感器結構簡單，但是可以檢測連續(xù)的局部變形信息。圖7b通過將磁鐵布置在霍爾傳感器的正上方，在法向力或者剪切力的作用下，磁鐵接近或者偏離霍爾傳感器，導致霍爾傳感器檢測出不同的磁場變化，從而對力的大小和方向進行反饋，這種傳感器可以被用作機械手的觸力覺反饋。利用同樣的原理可以這種傳感器制成陣列布置于機械手的指尖部位，從而將各個點的受力大小和方向映射，獲得物體的三維形狀等信息（圖7c）。除了可以檢測力的大小和方向外，磁性傳感器也可以用來檢測彎曲等變形信息。

圖7 磁性力傳感器

2.4 光導傳感器

光導傳感器是利用光信號的變化來檢測外界力和變形等信息的傳感器。光導傳感器一般由發(fā)射端、接受端和傳播介質(zhì)組成，發(fā)射端發(fā)出光信號，光信號經(jīng)過傳播介質(zhì)傳播到接受端，當傳播介質(zhì)受到外界或者拉伸時會變形，導致光的折射率或者強度發(fā)生改變，從而可以通過接收端接收到的光信號來檢測力和變形等信息。通過傳播介質(zhì)的設計，可以使傳感器檢測不同的信號。圖8a的應變傳感器是利用管狀模具澆筑PDMS實現(xiàn)的，由于PDMS具有很好的延展性，成型的PDMS波導管可以打結，也可以拉伸，當波導管被拉伸時，會因折射率的改變使光信號損失，將它布置在人的喉嚨處時，可以檢測人的說話和呼吸等信息。圖8b所示的觸覺傳感陣列是由軟材料突出物陣列、光發(fā)射器和成像系統(tǒng)組成，光由發(fā)射器照射到軟突出物中，當不同的突出物單元在外力作用下擠壓變形時，相應部分光的強度會發(fā)生變化，這種光強度變化最終通過成像系統(tǒng)映射為應力圖。圖8c所示的壓力傳感陣列由光源、力傳感區(qū)和成像區(qū)三部分組成。力傳感區(qū)的每個單元由一根射入光纖、三根接收光纖和一個示蹤物組成，光由攝入光纖照射到示蹤物表面，然后折射到接收光纖中，示蹤物固定在彈性材料中。當承受外力時，示蹤物的會發(fā)生位移，從而使接收光纖的光強度發(fā)生改變，通過三角測量原理，可以獲得外力的大小和方向。圖8d所示的傳感器由LED、可拉伸硅膠波導管和光電二極管組成，LED發(fā)出的光經(jīng)過波導管后由光電二極管接收，波導管被拉伸后會改變光的折射率，將波導管分布在氣動軟體驅(qū)動器的上、中、下三個部分，可以通過它們的延伸狀態(tài)反饋手指的變形信息，利用這個原理，制成的軟體手可以通過觸摸物體來辨別物體的形狀和紋理等信息。

圖8 光導傳感器 論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s10033-022-00707-2

引用：Hao， Y.， Zhang， S.， Fang， B. et al. A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robotics Applications. Chin. J. Mech. Eng. 35， 37 （2022）。 https://doi.org/10.1186/s10033-022-00707-2