蝠鲼仿生柔軟機(jī)器魚

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

?Tiefeng Li等人，2017

柔軟機(jī)器人正逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域的新熱門。最近，來自中國杭州浙江大學(xué)的工程師團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種蝠鲼仿生機(jī)器魚，其板載系統(tǒng)十分完整，包括供電和遙控等部分。機(jī)器魚體長9.3厘米（加上尾巴18.5厘米），重量只有90.3克，單次電池充電后能在水中游3個(gè)小時(shí)之久。柔軟機(jī)器魚為許多未來的應(yīng)用領(lǐng)域帶來了希望，比如在復(fù)雜的海洋環(huán)境中監(jiān)測(cè)水質(zhì)或發(fā)現(xiàn)新的海洋生物。

傳統(tǒng)機(jī)器人由剛性材料制成，這些材料通常會(huì)限制機(jī)器人的變形能力以及讓自身形狀適應(yīng)外部環(huán)境的能力。雖然這些剛性機(jī)器人具有輸出力大、精度高、可控性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，但是往往缺乏自然生物的多功能特性。另一方面，柔軟機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)彈性變形，并且能夠通過狹窄空間而不會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部損壞。

許多柔軟機(jī)器人由剛性電機(jī)或者刺激響應(yīng)型軟執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)。而后者的輕便性、靈活性和緊湊性使其更適用于柔軟機(jī)器人。軟執(zhí)行器的種類很多，比如形狀記憶合金（SMA）、介電彈性體（DE）、響應(yīng)性水凝膠和活細(xì)胞。本文中的蝠鲼仿生機(jī)器人通過DE和離子導(dǎo)電水凝膠驅(qū)動(dòng)，這與由透明水凝膠制成的柳葉鰻仿生柔軟水凝膠偽裝機(jī)器人有些類似。DE以迅速的響應(yīng)速度以及較大的動(dòng)作著稱，但是這種材料對(duì)高電壓和厚絕緣的要求限制了它們?cè)诨谲泦?dòng)器的機(jī)器人中的應(yīng)用。為了減輕這種不便，研究人員決定使用周圍的開放水域（“弱而充分”的電導(dǎo)率）作為電極，從而解決了進(jìn)一步絕緣的需要。

圖1. 柔軟機(jī)器魚的制作 /?Tiefeng Li等人，2017

圖2. 通過硅膠固化制作的柔軟魚身（左）；柔軟魚身上的尾巴 /?Tiefeng Li等人，2017

機(jī)器魚的肌肉由DE膜構(gòu)成；翅片由薄硅膜構(gòu)成；柔軟的彈性身體由硅膠框構(gòu)成。魚身還連接了一條帶有嵌入式電磁鐵的硅膠魚尾，以便進(jìn)行轉(zhuǎn)向。

圖3. 拍打胸鰭的致動(dòng)機(jī)制 /?Tiefeng Li等人，2017

DE膜內(nèi)部是水凝膠，而水凝膠與離子導(dǎo)電電極（饋線）連接相連。向電極施加電壓時(shí)，電場(chǎng)會(huì)驅(qū)動(dòng)周圍水中的離子以及水凝膠。正電荷和負(fù)電荷積聚在DE膜的兩側(cè)，請(qǐng)參見圖3的第2張示意圖。水凝膠帶正電的邊緣被吸引至DE膜外部水中帶負(fù)電荷的電子，當(dāng)這些粒子彼此吸引時(shí)，它們會(huì)擠壓之間的部分，導(dǎo)致DE膜變形（致動(dòng)狀態(tài)）。停止供電后，機(jī)體返回其原始配置（靜止?fàn)顟B(tài)）。如果提供循環(huán)電壓，那么機(jī)器魚就會(huì)像游泳的蝠鲼一樣上下擺動(dòng)翅片。

翅片的上下擺動(dòng)會(huì)引發(fā)軟硅膠膜的波動(dòng)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)下面視頻所示的正向推進(jìn)。機(jī)器魚動(dòng)作時(shí)（即用線連接一個(gè)放大的AC電壓信號(hào)）會(huì)產(chǎn)生一個(gè)推力。其游泳速度取決于施加電壓的幅度和頻率。當(dāng)施加電壓的幅度和頻率分別為10 kV和5 Hz時(shí)，機(jī)器魚的最大速度為13.5 cm/s。

對(duì)于無線系統(tǒng)，該團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種名為“Epod”的電子艙，里面含有一個(gè)高壓放大器、一塊鋰離子電池以及紅外（IR）遙控電路。Epod的重量為47.8克，其內(nèi)部剛性組件封裝在硅膠中。然后，設(shè)計(jì)人員將Epod粘在魚體下方。

圖4. Epod中高壓放大器電路圖 /?Tiefeng Li等人，2017

圖5. 無線柔軟機(jī)器魚 /?Tiefeng Li等人，2017

憑借一塊3.7 V 450 mAh鋰電池，單次充電后，機(jī)器魚能夠以1.1 cm/s的速度游3.15小時(shí)；以3.1 cm/s的速度游1.5小時(shí)。此款無線機(jī)器人的最大前進(jìn)速度為6.4 cm/s（9.5 kV和5 Hz）。速度降低的主要原因是總重量增加（從42.5克升至90.3克）以及Epod的額外阻力。另外，配備有攝像機(jī)的機(jī)器人還可以通過遠(yuǎn)程IR控制進(jìn)行掉頭（本文的第一個(gè)視頻）。

由于該機(jī)器人的高適應(yīng)性和高敏捷性，它甚至可以在極端溫度條件下游泳（比如0.4°C至74.2°C），不需要添加保溫措施。該機(jī)器人還展示出卓越的偽裝能力，它可以很容易地融入到背景中，幾乎看不到。

Yulhane-Jerez Koh

Yulhane畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley），是一名生物力學(xué)工程師，同時(shí)也是美國deviceplus公司的執(zhí)行編輯。Yulhane的主要興趣在于群體機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。

審核編輯黃宇