Sci. Adv.: 仿蝶泳姿态软机器人实现快速高效游动

Sci. Adv.: 仿蝶泳姿势软机器人实现快速高效游动

虽然情况或标准存在差别，天然抉择和物种演化使得许多操纵扇动翼、鳍实现推进的飞翔、游进的生物拥有类似的运动学形态，例如，它们的斯特劳哈尔数（Strouhal Number(St),用来描述翼、鳍的运动学无量纲参数）都集中在0.2到0.4之间来实现更大的推进效率；同时研究者发现当它们在空中或水中稳态运行期间，那些天然“推进器”在扇动翼、鳍时，拥有类似的运动特征和弯曲角。近年来，因为软素材和人类肌肉附近的弹性模量，操纵柔性驱动器构造仿生气器人遭到了普遍的存眷。但是关于仿生软机器人，若何在模仿类似的扇动和弯曲的运动学形态，同时实现快速且高效的游动，成为一个亟待处理的难题。

近日，北卡州立大学（NCSU）尹杰团队受扑翼游动启发，提出了一种由双向弯曲柔性驱动器和预弯曲柔性扑翼构成的双稳态和多稳态的软扑动施行器，操纵双稳态和多稳态间的快速突跳（Snapping），实现了类似蝶泳泳姿，高效且快速游动的软机器人。该机器人仅有2.8克，但可实现和海洋生物类似的高效运动形式（0.2 St = 0.25 0.4），其速度可达每秒3.4个身长（比报导的同类最快软机器人快4.8倍） ，同时连结了低功耗和高灵活性（每秒可动弹157°）。

北京时间2022年11月19日，论文以“Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly stroke-like soft swimmer”为题在线颁发在 Science Advances 杂志上。论文第一做者为团队博士生赤银鼎博士，其它做者有博士生洪尧烨以及博士后赵耀和李艳滨，通信做者为尹杰。

该工做是继2020年5月猎豹启发快速奔驰软机器人工做后（详见知社报导“ Science Advances：奔驰吧软机器人 ”[JY1] ，Tang et al., Sci. Adv. 2020; 6: eaaz6912），该团队在巧妙操纵双稳态构造实现快速且高效的水下软机器人上利用的又一项打破。

双稳态和多稳态软扑动施行器的设想理念

研究团队通过将两条平行的聚酯柔性带与中间的软气动双向驱动器桥接，使得柔性框架闪现出最后的“H”形外形（图1A，i）。然后，毗连“H”形带的两个尖端的同时引进横向改变和压缩变形，构成一对具有预存储弹性应变势能的双稳态弯曲扑翼（图 1A，ii）。其所构成的预弯曲扑翼的曲率和外形能够通过翼展 S 停止调整。居中的软驱动器小幅度弯曲可征服双稳态扑翼中的能垒 (ΔE)（图 1B）并同时触发快速突跳来带动扑翼的扇动，从而大大地放大了其拍打和扭转运动。类似地，那种双稳态设想能够进一步扩展到多稳态设想。研究团队将两个软气动弯曲驱动器并联毗连，中间由H形聚酯带粘合（图1C，i），构成多稳态构造。通过掌握并联气动驱动器的弯曲，此软扑动施行器能够在四种稳态之间随意切换（图1C，ii）。需要重视的是，双驱动形式所征服的能垒 ΔE2 是单驱动形式 ΔE1 的两倍，即 ΔE2 = ΔE1（图 1D）。

图1：双稳态和多稳态软扑动施行器的设想和工做原理。

“8”字形扑翼轨迹和加强的动态驱动性能

因为软驱动器的多自在度模态，气动膨胀可同时驱动并放大扑翼的顺时针扭转和扇动。研究团队通过高速逃踪扑翼的轨迹发现，两侧扑翼可在40毫秒内完成向上或向下扑动 （翼尖的瞬时速度可达6.6 米每秒），且翼尖轨迹遵照对称的弧形途径且并实现42°倾翼动角（flapping angle）。有趣的是，在一个完全的扇动的运动轮回内，扑翼翼尖会在 XZ 平面上画出阿拉伯数“ 8” 字形闭环轨迹（图 2B），那与悬停形态下的蜂鸟和大黄蜂拍动同党的轨迹十分类似（图 2C-2D）。通过调整扑动施行器的翼展，研究团队进一步研究了扑动软施行器的动力学和驱动性能。简而言之，不异气动驱动下，施行器的翼展越短，驱动时间越长，突跳的时间越快，动态输出力就越大。

图 2 双稳态预弯曲扑动软致动器（翼展：150 mm）由突跳引起的扇动和扭转运动

仿蝶泳泳姿实现快速高效游动

此外，研究团队进一步研究了扑动软施行器在水下机器人中的利用。软机器人通过弯曲其柔嫩的身体以产生海浪状的起伏，其前端在划水过程中上下挪动（图3C），同时， 起伏的身体与两个乖巧扑翼彼此协调快速拍打和扫动水面来加强推进力。研究团队看察发现软机器人游进的姿势（扑翼）和蝶泳泳姿十分类似（图3B）。差别的是，软体机器人在向上扇动扑翼时也能够供给向前游动的推力。此外，研究者进一步比照了该软机器人和基于弯曲或者扇动身体来游进的天然生物的运动表示，他们发现，此软机器人可实现和海豚类似的相对游进速度（每秒游进3.4个身长），并连结高效的推进效率（0.2 0.4）和类似的弯曲角度（图4）。 pan="" 0.4）和类似的弯曲角度（图4）。

图3 蝶泳式双稳态扑翼软体泅水机器人

图4 高速、高效的双稳态扑翼软体泅水机器人道与水下生物、其他软机器人的游进表示比照

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该工做操纵构造的失稳突跳原理来加快和放大软素材的响应，理论上该原理也能够妥帖其它活性素材驱动器好比液晶弹性体，水凝胶，外形记忆聚合物和电介量弹性体等。此种无需复杂传动机构却能将二维平面内的弯曲运动转化成三维空间内的复杂运动也可妥帖到差别的利用场景，例如爬行，跳越和飞翔等。

文章信息：

Y. Chi, Y. Hong, Y. Zhao, Y. Li, J. Yin, “Snapping for high-speed and high-efficient, butterfly stroke-like soft swimmer”, Science Advances, 8, eadd3788 (2022),