鑽石舞台

轉自學術頭條

撰文：庫珀編審：寇建超

對於機器人而言，跳躍是一種十分重要的能力，這能夠使它們擴大活動範圍，克服行進障礙，適應許多非結構化環境等。

連續跳躍和方向可調整性，是具有多模態運動的地面機器人的基本特性。然而，目前只有少數軟跳躍機器人能夠實現快速連續跳躍和控制轉向運動，以實現越障。

如今，中國科研團隊提出了一種基於軟電靜力學彎曲致動器的，電靜力學驅動的繫繩無腿軟跳躍機器人，這種機器人僅僅1.1克重、6.5厘米長，0.85毫米厚，能夠實現7.68倍體高的跳躍高度和每秒6.01倍體長的連續向前跳躍速度，結合兩個執行器單元，可實現每秒138.4°的轉向速度。

相關論文發表在科學期刊《自然-通訊》（Nature Communications）上，論文的主要作者分別來自重慶大學、哈爾濱工業大學、上海大學、北京航空航天大學等。研究人員還將其他功能性電子設備（如傳感器）集成到制動器上，從而實現包括偵測環境變化在內的多種應用，並建議未來進行結構優化以改進軟體機器人的跳躍性能，未來或對無繩方案的進一步研究或可增進這類軟體機器人的通用性。

提高軟跳躍機器人的單跳性能（跳躍高度JH和跳躍距離JD）以提高其越障能力，同時加快跳躍頻率以提高其導航效率，是軟跳躍機器人面臨的兩大工程挑戰。

目前，業界已經開發出了能夠向前導航的軟或部分軟跳躍機器人，驅動方式也十分多樣，有集成彈簧、形狀記憶合金（SMA）、磁致動器、光動力致動器、介電彈性體致動器（DEA）、氣動致動器、化學致動器、電機和聚偏二氟乙烯（PVDF）致動器驅動等。有一部分是儲能跳躍機器人，這類機器人通常具有強勁的單跳性能，但由於需要額外的彈性儲能過程，因此需要犧牲導航效率為代價。此外，儘管儲能過程的延長增加了跳躍高度，但降低了着陸穩定性，同時降低了跳躍頻率；由氣動執行器、化學執行器和電機驅動的軟跳躍機器人，通常需要複雜的導航策略和結構；而基於DEAs和PVDF執行器的輕型軟跳躍機器人，可以通過彎曲身體部位進行簡單跳躍，無需額外儲能，這會導致快速跳躍頻率，但它們的JHs和JDs不足以滿足跨越障礙物的要求（<0.25體高）。液壓放大自愈靜電（HASEL）執行器可以通過電流體靜力學改變內部液體的分布來實現線性運動，這種電液驅動方法可以在很短的時間內產生跳躍所需的能量，而不需要複雜的能量儲存過程，是快速越障機器人的潛在解決方案，但仍面臨三大挑戰：

（1）在沒有堆疊的情況下提高單跳性能；（2）實現快速恢復；（3）產生向前跳躍和轉向跳躍。經過深入分析這些機器人方案的優劣勢和性能後，研究人員使用基於電靜力學原理和框架的快速彎曲和回彈，來增強致動器的跳躍性能。

圖 | LSJR 詳細設計和運動原理（來源：Nature Communications）

研究人員將新的解決方案命名為LSJR：一種電液靜力驅動的系留式無腿軟跳躍機器人，該機器人基於軟電液靜力彎曲致動器（sEHBA），具有快速、連續、轉向跳躍和越障能力。初步實驗表明，sEHBA 的快速響應特性導致短啟動時間（~10ms），LSJR可用於實現7.68個身體高度的JH，單次跳躍為1.46個身體長度，連續向前跳躍速度為390.5mm/s（每秒6.01個身體長度），頻率為4Hz。他們還證明了雙體LSJR 的轉向速度能夠達到每秒138.4°，是現有軟跳躍機器人中速度最快的。

圖｜機器人彈跳的原理和效果（來源：Nature Communications）

實驗場景下，LSJR的快速連續跳躍運動可以跨越多種障礙物（其中一些比機器人大），包括斜坡、電線、單步、連續步、環形障礙物、礫石丘和不同形狀的立方體等。

LSJR由兩個塑料半圓形袋組成，袋子是雙向取向聚丙烯（BOPP）薄膜材料，袋上印有柔性電極，用於潛在電線連接。袋子前面裝滿了介電液體，後面裝滿了同樣體積的空氣。柔性塑料（PVC）環框架固定在邊緣上，並進行預拉伸。通過向兩個電極施加高壓，LSJR通電以彎曲自身，產生向前跳躍的力和能量，後部氣囊有類似於動物的尾巴，用於保持跳躍和着陸姿勢的平衡，在LSJR的整個結構中起着重要作用。

從設計理念和運動原理方面來講，研究人員將一個HASEL型致動器熱封為一個半圓形分離 HASEL（SCS-HASEL）致動器，該致動器由兩個基於拉鏈機制的半圓形液體袋組成，然後，用等量的空氣替換 SCS-HASEL 致動器後半圓袋中的介電液體，並移除後半圓袋的覆蓋電極，使介電液體能夠相對於整個致動器各向異性流動。正如預期那樣，可以發現特殊的液-氣布局可以使液-氣致動器向前跳躍，即使氣囊在地面上跳動，這是因為電極擠壓液體電介質，使其快速流動，LSJR通電彎曲自身，從而使其獲得初始動能。為了進一步提高LSJR的跳躍性能，可以用氦氣或其他密度較低的非爆炸性氣體替換該袋中的空氣。輕巧的機器人設計使跳躍和着陸穩定，不會翻船。

圖｜LSJR 移動前進測試（來源：Nature Communications）

JD和JH是兩個重要的性能指標，可用於表徵LSJR的跳躍性能。r=電極面積：非電極面積，實驗顯示r=1:1時機器人產生了更大的JD和JH，過量的r（例如 r=2:1）會影響BOPP薄膜的柔韌性，阻礙框架的正常彎曲，降低垂直地面反作用力。此外，連續向前跳躍速度（CFJS）是連續向前跳躍機器人的一個重要性能特徵，在10 kV和4Hz下，平均旋轉速度（TS）=138.4°/s，據論文描述，這是現有軟跳躍機器人中速度最快的，這是在木板上的成績。而在不同的襯底上會大大影響連續跳躍能力，在表面光滑的玻璃板上，同樣10kV和4Hz的條件，平均TS僅為27.9°/s。足夠的基板表面粗糙度不僅可以防止機器人在連續運動中打滑，還可以阻礙無動力LSJR的運動，從而影響轉向行為。LSJR具備較好的越障能力，有望在複雜和非結構化的環境中進行探索、檢查和偵察任務。在10kV的外加電壓和4Hz的驅動頻率下，單體LSJR以16.3mm/s（0.25體長/秒）的CFJS爬上玻璃板（傾斜角度為 3°），跨越直徑為6.3mm的電線，跨越8mm高台階以及跨越連續台階。在障礙物高度間隔為4mm的穿越試驗中，LSJR可穿越的最大高度為14mm（長方體），18mm（三角稜鏡和圓柱體），還能順利穿過含有許多礫石（大小：3到6 mm）的礫石丘。

圖｜LSJR 移動前進測試跨越障礙（來源：Nature Communications）

總的來說，LSJR具有低剖面、輕量化、模塊化和經濟高效等優勢，通過簡單的控制策略，該機器人就能實現快速、連續和轉向跳躍、承載和越障的能力。

採用特殊液氣布局和邊緣固定預彎框架，實現了由周期性馬鞍形彎曲和各向異性液體流引起的快速連續向前和轉向跳躍運動，這彌補了 HASEL 致動器的一些局限性，包括：（1）無法實現的向前和轉向跳躍；（2）沒有堆疊的單跳性能較弱；（3）無法快速恢復。在連續向前跳躍運動中，每次跳躍的角度偏差可控制在8°以內，機器人的最大跳躍高度可以達到18毫米。LSJR的跳躍性能不僅取決於外加電壓，還取決於各種運動基板的表面紋理，在相同的外加電壓（10kV，4Hz）下，表面最光滑的玻璃基板提供了所有基板中最低的摩擦導致較低的CFJS為95.6mm/s（1.47體長/秒）。目前，這限制了該機器人在相對光滑的表面上跳躍的應用。研究人員表示，LSJR可通過連接光和軟溫度傳感器、膏和光致變色染料等，用於檢測和記錄環境變化，如溫度和紫外線，也可通過集成其他傳感器，用來檢測更多的環境因素，如工業環境和民用建築中的污染物。下一步工作，他們將着重研究sEHBA的可擴展性和參數優化，以實現更好的跳躍性能，開發無約束LSJR和應用，以及基於sEHBA的其他軟機器人，如爬牆機器人、游泳機器人、還有撲翼機器人等。

參考資料：https://www.nature.com/articles/s41467-021-27265-w