行政求职招聘QQ群 http://jdsshang.com/shenghuo/24437.html软体材料具有高弹性、耐冲击、多自由度三大特点，而采用软体材料用作驱动器则会大大丰富机器人的设计思路。常见的软件机器人驱动方式有气动、金属记忆合金、特殊化学反应等多种驱动方式。随着软体机器人特点的充分研究和探索，有望在医疗、搜救、工业等多种复杂环境下发挥作用。近日，马里兰大学帕克分校的研究人员基于集成流体回路和3D多材料设计和打印了机器龟，而且还研究出一款新型游戏“物理神器”，一款软体机器人手，并通关了超级马里奥第一关，相关研究发表于ScienceAdvance期刊，文献Title：《Fully3D-printedsoftrobotswithintegratedfluidiccircuitry》。图
超级马里奥自制mod（来源：Pixabay）流体驱动是软体机器人最常见的驱动方式。由于泵、阀等流体配套设备发展较为成熟，且相较与其他驱动方式，流体驱动方式的驱动力大，响应速度快，所以在软体机器人领域得到广泛应用。图
作者通过利用多种材料（刚性光塑材料轻聚合物材料水溶性牺牲支撑材料）进行3D打印的软体机器人驱动器及其构件（来源：ScienceAdvance）但需要注意是，流体驱动中需要多个阀门组件，而且目前仍需通过手工组装系统，这可能会因为装配误差而影响实验有效性和对实验进行复现。因此，作者团队提出了一种新的设计方法——通过采用多种材料，打印出了具有流体回路的集成系统的软体机器人，这种方法可以省去人工装配样机带来的实验误差。动图
基于流体回路系统的COMSOL有限元分析（压强和位移的关系变化云图）（来源：ScienceAdvance）为了验证设想，研究团队对三种不同类型的流体回路的软体机器人的输出性能，其中包括：（i）一个软体机器龟在直流电压激励下的运动性能；（ii）仍以机器龟为研究对象，在正弦交流电压激励下对其周期性的游泳运动研究；(iii)基于软体机器手，在非周期性性单个预编程的激励下，即交变电流的压力输入作用下，来操作手柄通过超级马里奥第一关。在设计和加工过程当中，既有设计，又有仿真。流体晶体管的理论仿真通过商业FEA软件COMSOL5.3进行。图
基于PolyJet3D打印的流体回路元件的工作原理和仿真，测试结果（来源：ScienceAdvance）在设计阶段，将对应于每个流体晶体管的CAD模型（即包括完全组装的两种材料）导入COMSOL，然后为柔顺和刚性组件设置不同的材料属性，在COMSOL的固体力学模块对其输出特性进行仿真研究。同时，仿真使用固定求解器和施加参数化的变化载荷作为变化输入条件。直流激励下的软体机器龟运动性能软体机器人在恒定的流体输入下，进行周期性操作的响应能力是评价流体回路的系统的关键指标。于此，作者团队设计了一个带有集成流体回路的软体机器龟，当流体流入具有闭合流体晶体管的通路时，不断输入的流体继续使相对的流体晶体管的栅极隔膜膨胀。随着这个过程的继续，通过“重新闭合”流体晶体管的液压阻力增加，这导致输入的流体在闭合组件的流体晶体管的栅极区域中积聚。图
在直流激励下的软体机器龟的电路（集成流体振荡电路图，以及六个主要状态的模拟电路图）工作原理和运动实验结果（来源：ScienceAdvance）最后，最初关闭的流体晶体管进入打开组件，这不仅会导致相应的软体部分膨胀，而且还允许上游栅极区域中的流体发生位移，从而导致相对的流体晶体管快速移动。此后，如果以相反的方向重复该过程，软体机器人可以周期性方式继续循环运动。作者团队发现，在实验过程中，尽管输入相同的恒定条件，软体还是输出不同的连续、周期性运动。因此通过使用数字图像软件（DIC）来量化这种变形行为，发现这种振荡是异相的。他们认为这种振荡的原因是使用了常闭型流体晶体管，这种晶体管在振荡电路中起着关键作用。因此，团队认为可以通过改变流体回路的栅极隔膜尺寸调整软体机器人振荡输出特性。基于正弦输入的软体机器龟运动性能在这项工作当中，作者团队使用振荡流体回路作为驱动，并对软体机器龟鳍的周期性运动原理进行了分析。最后，使用PolyJet3D打印了带有集成正弦输入的流体回路原型，研究了不同压强输出下的下软软体机器龟的动力学性能。由于这项工作中可以广泛应用于软体机器人，因此有助于增强软体机器人在正弦或其他形式的周期性驱动输入下的自主调节功能。图
原文基于正弦电压输入下软体机器龟的工作原理和机器龟鳍运动实验测量结果（来源：ScienceAdvance）基于程序化周期性输入的软体机器手在上述实验完成之后，为了进一步研究这种流体回路的性能，同时为了研究PolyJet3D打印的软体机器手的输出特性。图
具有集成流体回路的预编程、基于非周期性流体输入的软体机器手的设计和实验结果（来源：ScienceAdvance）作者团队研究了一种带有集成流体回路的软体机器手，并且设定非周期性流体输入，研究对机器人手的对应输出。对于这种采用了多复合材料仿生软体机器手，因为其采用的材料存在着刚度差，因此可以模仿人类手指的弯曲运动，打印的过程包括：（i）手指的非弯曲部分及其内部结构，同时使用刚性材料打印的流体通道；（ii）以及使用柔顺材料打印可充气的机器手关节组件。在打印出样机之后，作者团队对该系统进行气动驱动实验，以进行手指驱动力和流体回路参数之间特性的研究。动图
控制机器人手可以完成马里奥的基本前冲，跳跃等基本动作（5倍速）（来源：ScienceAdvance）作为任天堂旗下经典不衰游戏——超级马里奥，玩家可以控制马里奥在平面空间里跳跃，奔跑，等动作。因此，能够控制机器手操作手柄完成游戏的通关对于评价机器手的特性而言意义重大。动图
机器人手在操作游戏时会由于充气和放气阶段导致延迟（来源：ScienceAdvance）从实验视频中发现，在控制机器人手通关超级马里奥时，机器人手可以控制手柄实现游戏里的基本行走，奔跑和跳跃等动作，同时在视频中发现有部分时间的画面是静止的，作者解释这是因为软关节组件在充气阶段导致的时间延迟，因此机器人手没有进行输出工作（放气时也表现出类似的时间延迟）。动图
通过控制流体集成回路的机器人手通关超级马里奥第一关（来源：ScienceAdvance）虽然这项工作中的流体回路是针对软体机器人设计的，但作者指出流体回路的设计可以拓展流体阀门在化学、生物和生物医学领域等应用。作者认为由于软体机器人领域仍处于起步阶段，但驱动软体机器人的输入激励仍然多种多样，有待进一步研究。作为任天堂旗下经典不衰游戏——超级马里奥，玩家通过控制角色在绚烂抽象的空间里奔跑跳跃，给玩家带来直观的爽快游戏体验。马里奥系列之所以能在该类游戏中脱颖而出，关键在于角色本身优秀的动作技巧和反应能力。因此，能够控制机器手操作手柄完成游戏的通关对于评价机器手的特性而言意义重大。从实验视频中发现，在控制机器人手通关超级马里奥时，机器人手可以控制手柄实现游戏里的基本行走，奔跑和跳跃等动作，同时在视频中发现有部分时间的画面是静止的，作者解释这是因为软关节组件在充气阶段导致的时间延迟，因此机器人手没有进行输出工作（放气时也表现出类似的时间延迟）。虽然这项工作中的流体回路是针对软体机器人设计的，但作者指出流体回路的设计可以拓展流体阀门在化学、生物和生物医学领域等应用。作者认为由于软体机器人领域仍处于起步阶段，但驱动软体机器人的输入激励仍然多种多样，有待进一步研究。-End-预览时标签不可点收录于话题#个上一篇下一篇
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