软机器人

软机器人是具体子机器人处理从高度构建机器人兼容的材料，类似于在活的生物体中发现。

软机器人技术极大地借鉴了生物体移动并适应周围环境的方式。与由刚性材料制成的机器人相比，软机器人可提高灵活性和适应性，以完成任务，并在与人一起工作时提高安全性。这些特性使其在医学和制造业领域具有潜在的用途。

软机器人技术的目标是设计和构造具有物理柔性体和电子设备的机器人。有时，柔软度仅限于机器的一部分。例如，坚固的机械臂可以使用柔软的末端执行器来轻轻地抓住和操纵精致或不规则形状的物体。大多数坚固的移动机器人还从战略上采用了柔软的组件，例如脚垫来吸收震动或弹性关节，以存储/释放弹性能量。但是，软机器人技术领域通常偏向于主要或完全软的机器。完全柔软的机器人具有巨大的潜力。一方面，它们的灵活性使它们可以挤入刚体无法进入的地方，这在救灾场景中可能很有用。

大自然通常是软机器人设计灵感的来源，因为动物本身主要是由软组件组成的，并且它们似乎利用其软性在地球上几乎任何地方的复杂环境中有效移动。因此，软机器人通常被设计成看起来像熟悉的生物，特别是像章鱼这样的完全软的生物。但是，鉴于其机械阻抗低，手动设计和控制软机器人非常困难。使软机器人受益的是灵活性和合规性，这使得它们难以控制。在过去的几个世纪中开发的用于设计刚体的数学通常无法扩展到软机器人。因此，通常通过自动化设计工具（例如进化算法）来部分设计软机器人，从而使软机器人的形状，材料特性和控制器都可以同时针对特定任务自动进行设计和优化。

由于细胞质和外部环境之间的溶质浓度梯度（渗透势），植物细胞可以固有地产生静水压力。此外，植物可以通过离子在细胞膜上的移动来调节浓度。然后，随着植物对静水压力的这种变化做出响应，它会改变植物的形状和体积。这种压力衍生的形状演变对于软机器人来说是理想的，并且可以通过使用流体流动进行模拟以创建压力自适应材料。

在创建用于软机器人的压力系统时已经利用了这一原理。这些系统由软质树脂组成，并包含带有半透膜的多个液囊。半渗透性允许流体输送，然后导致压力产生。流体输送和压力产生的这种组合然后导致形状和体积变化。

另一个生物学上固有的形状改变机制是吸湿性形状改变机制。在这种机制下，植物细胞对湿度的变化做出反应。当周围的空气湿度高时，植物细胞膨胀，但是当周围的空气湿度低时，植物细胞收缩。在花粉粒和松果鳞片中观察到了这种体积变化。

传统的制造技术（例如钻削和铣削等减法技术）在构造软机器人时无济于事，因为这些机器人的形状复杂且具有可变形的主体。因此，已经开发了更先进的制造技术。其中包括形状沉积制造（SDM），智能复合微结构（SCM）工艺和3D多材料打印。

SDM是一种快速原型制作，因此沉积和加工会循环发生。基本上，一个人沉积一种材料，对其进行加工，嵌入所需的结构，沉积一个用于所述结构的支撑物，然后进一步将产品加工成最终形状，该最终形状包括所沉积的材料和嵌入的零件。嵌入式硬件包括电路，传感器和执行器，科学家已经成功地将控件嵌入聚合物材料中，以创建软机器人，例如Stickybot 和iSprawl。

SCM是一种将碳纤维增强聚合物（CFRP）的刚性体与柔性聚合物韧带结合在一起的过程。柔性聚合物充当骨架的接头。通过此过程，通过使用激光加工，然后进行层压，可以创建CFRP和聚合物韧带的集成结构。由于聚合物连接器可作为销接头的低摩擦替代品，因此该SCM工艺可用于中规模机器人的生产。

现在，通过Robocasting（也称为直接墨水书写（DIW）），可以将3D打印用于印刷各种有机硅墨水。该制造路线允许无缝生产具有局部限定的机械性能的流体弹性体致动器。它进一步实现了数字化制造的气动硅树脂执行器，这些执行器具有可编程的生物灵感架构和动作。使用这种方法可以印刷各种功能齐全的机器人，包括弯曲、扭曲、抓握和收缩运动。该技术避免了常规制造路线的一些缺点，例如在胶合零件之间分层。另一种增材制造方法，可生产形状敏感的，热活化的或对水敏感的形状变形材料。本质上，这些聚合物在与水，光或热相互作用时可以自动改变形状。通过使用光反应性喷墨印刷到聚苯乙烯靶上来产生形状变形材料的一个这样的例子。此外，形状记忆聚合物已快速原型化，该原型包含两个不同的组件：骨架和铰链材料。在打印时，将材料加热到高于铰链材料的玻璃化转变温度的温度。这允许铰链材料变形，同时不影响骨架材料。此外，该聚合物可以通过加热连续地重整。

所有软机器人都需要一个致动系统来产生反作用力，以允许其与其环境进行运动和交互。由于这些机器人的柔顺性，软致动系统必须能够移动，而无需使用会在生物体内充当骨骼的刚性材料或在刚性机器人中常见的金属框架。然而，存在一些针对软致动问题的控制解决方案，并且已经找到了其解决方案，每种解决方案都有其优点和缺点。下面列出了一些控制方法和适当材料的示例。

一个示例是利用静电力，该静电力可应用于：

• 使用高压电 场以改变其形状的介电弹性体致动器（DEA）（工作DEA的示例）。这些执行器可以产生高的力，具有高的比功率（W kg ^-1），产生大的应变（> 1000％），^[14]具有高的能量密度（> 3 MJ m ^-3），表现出自感应，并实现快速启动速度（10 ms-1 s）。然而，对高压的需求迅速成为潜在实际应用中的限制因素。此外，这些系统通常会出现泄漏电流，往往会发生电击穿（介电失效遵循Weibull统计因此，概率会随着电极面积的增加而增加，并且需要进行预应变才能产生xxx的变形。一些新的研究表明，有一些方法可以克服其中的一些缺点，例如在Peano-HASEL执行器中所示，该执行器包含液体电介质和薄壳组件。这些方法降低了所需的施加电压，并允许在电击穿期间进行自我修复。

• 形状记忆聚合物（SMP）是智能且可重新配置的材料，可作为可用于致动的热致动的出色示例。这些材料将“记住”其原始形状，并在温度升高时恢复为原始形状。例如，可以在高于其玻璃化转变温度（T _g）或熔融转变温度（T _m）的温度下使交联聚合物应变，然后冷却。当温度再次升高时，应变将释放，材料形状将恢复为原始形状。当然，这表明只有一个不可逆的运动，但是已经证明材料具有多达5种临时形状。形状记忆聚合物的最简单和最广为人知的例子之一是一个名为“ 收缩性丁香”的玩具，该玩具由预拉伸的聚苯乙烯（PS）片材制成，可用于切割加热时会明显收缩的形状。使用这些材料生产的执行器可以达到高达1000％的应变，并且已经证明了在<50 kJ m ^-3到2 MJ m ^-3之间的宽范围的能量密度。SMP的明显缺点包括响应速度慢（> 10 s）和产生的力通常较低。SMP的示例包括聚氨酯（PU），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚环氧乙烷（PEO）等。
• 形状记忆合金位于用于软机器人致动的另一个控制系统的背后。尽管弹簧是由金属制成，传统上是刚性材料，但弹簧是由非常细的线材制成的，并且与其他软质材料一样柔软。这些弹簧具有很高的力质量比，但是会通过加热而伸展，这在能量方面是无效的。

• 气动人造肌肉是软机器人中使用的另一种控制方法，它依赖于改变软管内部的压力。这样，它将充当肌肉，收缩和伸展，从而对附着的物体施加力。通过使用阀门，机器人可以使用这些肌肉保持给定的形状，而无需额外的能量输入。但是，该方法通常需要外部压缩空气源才能起作用。比例积分微分（PID）控制器是气动肌肉最常用的算法。可以通过调整PID控制器的参数来调节气动肌肉的动态响应。

软拉伸传感器通常用于测量机器人的形状和运动。然后通常将这些测量结果输入到控制系统中。

可以在医学界实现软机器人，特别是用于侵入性手术的机器人。可以制造软机器人来辅助手术，因为它们具有改变形状的特性。形状变化非常重要，因为软机器人可以通过调整其形状来在人体的不同结构中导航。这可以通过使用流体致动来实现。

软机器人还可以用于创建灵活的外衣，用于患者康复，协助老年人或简单地增强用户的力量。哈佛大学的一个团队使用这些材料制作了一件外衣，以充分利用外衣提供的额外强度，而没有刚性材料如何限制人的自然运动带来的不利影响。防护服是装有机动肌肉的金属框架，可增加穿戴者的力量。机器人服的金属框架也称为外骨骼，在某种程度上反映了穿着者的内部骨骼结构。

该防护服可使举起的物体轻盈，有时甚至失重，从而减少伤害并提高顺从性。

传统上，出于安全考虑，制造机器人已与人类工人隔离开来，因为与机器人碰撞的刚性机器人很容易因机器人的快节奏运动而导致受伤。但是，软机器人可以安全地与人并肩工作，因为在碰撞中，机器人的顺应特性可以防止或xxx程度地减少潜在的伤害。

通过软机器人进行生物模仿的应用是在海洋或太空探索中。在寻找地球外生命时，科学家需要更多地了解地球外水体，因为水是地球生命的源头。可以使用软机器人来模仿可以在水中有效机动的海洋生物。在美国国家航空航天局（NASA）的创新先进概念（NIAC）的资助下，康奈尔大学（Cornell）团队于2015年尝试了这样的项目。小组着手设计一个模仿七lamp鳗或墨鱼的软机器人为了能够有效地探索木星卫星欧罗巴（Europa）的冰层下的海洋，它以水下方式移动。但是，探索水域，尤其是在另一个星球上的水域，会带来一系列独特的机械和材料挑战。

软机器人，特别是那些模仿生活的机器人，通常必须承受周期性的载荷才能移动或执行其设计任务。例如，在上述的七lamp鱼或乌贼状机器人的情况下，运动将需要电解水和点燃气体，从而导致快速膨胀以推动机器人前进。这种重复性和爆炸性的膨胀和收缩会在所选的聚合物材料上产生强烈的循环载荷环境。水下和/或欧罗巴上的机器人几乎不可能修补或替换，因此需要谨慎选择一种材料和设计，以xxx程度地减少疲劳裂纹的产生和传播。特别是，应该选择具有疲劳极限的材料或应力-振幅频率，高于该频率时，聚合物的疲劳响应不再取决于该频率。

其次，由于软机器人是由高度兼容的材料制成的，因此必须考虑温度的影响。材料的屈服应力倾向于随温度降低，而在聚合物材料中，这种影响甚至更为极端。在室温和更高的温度下，许多聚合物中的长链会彼此伸展和滑动，从而防止局部应力集中在一个区域并使材料延展。但大多数聚合物会经历韧性到脆性的转变温度低于此温度，长链就没有足够的热能以这种可延展的方式做出响应，断裂的可能性更大。实际上，聚合材料在较低温度下变脆的趋势被认为是造成航天飞机挑战者灾难的原因，必须非常认真对待，特别是对于将在医学中实现的软机器人。韧性到脆性的转变温度不一定是“冷”的温度，实际上是材料本身的特征，取决于其结晶度、韧性、侧基尺寸（对于聚合物而言）和其他因素。