軟機(jī)器人的問世通過采用完全軟體系統(tǒng)，可與任何隨機(jī)表面安全交互，同時(shí)提供出色的機(jī)械柔韌性，在機(jī)器人，可穿戴設(shè)備甚至制造工藝方面取得了巨大進(jìn)步。此外，軟機(jī)器人技術(shù)的最新發(fā)展涉及透明軟致動(dòng)器和傳感器的進(jìn)步，這些進(jìn)展使得能夠構(gòu)造能夠以視覺和機(jī)械上暢通無(wú)阻的方式工作的機(jī)器人，從而協(xié)助了機(jī)器人的操作并在各個(gè)領(lǐng)域創(chuàng)造了更多的應(yīng)用。在這方面，主要由光學(xué)透明的不可感知的硬件組件組成的不可感知的軟機(jī)器人有望在即將到來的軟機(jī)器人時(shí)代構(gòu)成新的研究重點(diǎn)。最近，首爾國(guó)立大學(xué)Seung Hwan Ko教授團(tuán)隊(duì)論述了有關(guān)擴(kuò)展的不可感知的軟機(jī)器人技術(shù)的最新進(jìn)展，包括不可察覺的透明軟機(jī)器人(透明的軟致動(dòng)器/傳感器)和不可察覺的非透明偽裝蒙皮。討論了它們的原理，材料選擇和工作機(jī)制，以便可以探索難以察覺的軟機(jī)器人系統(tǒng)中的主要挑戰(zhàn)和觀點(diǎn)刊發(fā)相關(guān)題為‘‘Transparent Soft Actuators/Sensors and Camouage Skins for Imperceptible Soft Robotics’’的論文在《Advanced Materials》上。

【圖文解析】

1.引言

機(jī)器人和可穿戴設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步取決于光學(xué)和機(jī)械合規(guī)性，具體取決于它們的用途。通過利用透明執(zhí)行器和傳感器的最新進(jìn)展，將其柔軟而有彈性的機(jī)械柔韌性與光學(xué)透明性相結(jié)合，可以創(chuàng)造出一類新型的軟機(jī)器人，可以稱為不可感知的軟機(jī)器人(ISR)。如圖 1所示機(jī)敏的軟機(jī)器人系統(tǒng)圖描述了ISR將主要由透明系統(tǒng)和迷彩皮膚組成。透明系統(tǒng)包含光學(xué)透明的軟致動(dòng)器和傳感器，以構(gòu)建別人很少見的機(jī)械交互機(jī)器人。

圖1 不可感知的軟機(jī)器人(ISR)的系統(tǒng)圖。ISR機(jī)器人領(lǐng)域的各種潛在應(yīng)用：人類輔助設(shè)備，機(jī)器人假肢和軟臥底機(jī)器人。

2.透明軟致動(dòng)器

為了使機(jī)器人能夠自由移動(dòng)并與環(huán)境互動(dòng)，機(jī)器人的身體需要產(chǎn)生各種運(yùn)動(dòng)的致動(dòng)系統(tǒng)。軟致動(dòng)器，直覺上是指“軟”一詞，它必須具有與常規(guī)笨重且剛性的致動(dòng)器不同的，可靠地順應(yīng)于任何表面的軟主體。

2.1 電熱致動(dòng)器ETA

長(zhǎng)期以來一直是原始能源的熱量一直是軟機(jī)器人技術(shù)最新發(fā)展的有效激勵(lì)手段。由于致動(dòng)器內(nèi)部傳遞的熱量是肉眼看不到的，因此透明的ETA可以被認(rèn)為是對(duì)不易察覺的致動(dòng)系統(tǒng)非常直觀和實(shí)用的方法。圖 3a會(huì)顯示一個(gè)基于LCE的透明執(zhí)行器，該執(zhí)行器由插入兩層松散交聯(lián)的LCE膜之間的薄的可拉伸蛇形電阻加熱器組成，以建立基于ETA的人造肌肉。

圖3 透明電熱執(zhí)行器(ETA)。a)基于熱響應(yīng)液晶彈性體(LCE)的人造肌肉膜，具有可逆的驅(qū)動(dòng)和熱機(jī)械性能。b)與NW加熱器和各向異性聚合物薄膜以及透明行走機(jī)器人集成在一起的雙層透明致動(dòng)器，其紅外圖像相對(duì)于DC圖像具有可視化的運(yùn)動(dòng)效果。c)使用PW-PDMS / SACNT復(fù)合材料的透明可切換執(zhí)行器，以及在不同的溫度條件下通過施加電壓可切換的光學(xué)透明度。

2.2 介電彈性體致動(dòng)器DEA

DEA是一種致動(dòng)器，使用高壓驅(qū)動(dòng)的強(qiáng)電場(chǎng)使夾在兩個(gè)主電極之間的電介質(zhì)材料變形。在先前關(guān)于DEA的工作中，通常由碳粉或碳脂制成的順應(yīng)性電極不具有光學(xué)透明性和較高的機(jī)械耐久性。

DEAS通常顯示快速致動(dòng)速度，大的應(yīng)變，和高的力的產(chǎn)生，近期通過凱普林格和同事的工作已經(jīng)利用這些性質(zhì)在液壓擴(kuò)增自愈靜電致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)使用拉鏈機(jī)構(gòu)快速致動(dòng)(圖 4a)。通過將聚丙烯酰胺(PAM)水凝膠注入通過熱壓兩個(gè)熱塑性薄膜形成的通道中，可以輕松制造HASEL執(zhí)行器。HASEL執(zhí)行器具有出色的執(zhí)行性能，可產(chǎn)生高達(dá)118%的應(yīng)變，應(yīng)變率約為7500%s-1，激勵(lì)頻率為126 Hz，比功率為156 W kg-1。HASEL執(zhí)行器的形狀可以很容易地設(shè)計(jì)成蝎尾(圖 4a，底部)，類似于真實(shí)蝎尾的高速?zèng)_程，其完全卷曲后的快速驅(qū)動(dòng)速度為1.26 m s-1。

圖4 透明介電彈性體執(zhí)行器(DEA)。a)蝎子機(jī)器人中的液壓放大自修復(fù)靜電(HASEL)致動(dòng)器，并描述了使用液體介電材料的拉鏈驅(qū)動(dòng)DEA。b)模仿透明鰻魚的流體電極介電彈性體致動(dòng)器(FEDEA)，并比較FEDEA和鰻魚(小腦)的光學(xué)透明度。c)具有所有透明層和船上系統(tǒng)的電子魚，用于供電和遠(yuǎn)程控制。d)透明的軟機(jī)器人，其具有雙軸預(yù)拉伸膜和在驅(qū)動(dòng)下無(wú)光散射的表面。

2.3 替代促動(dòng)

除了DEA，的ETA，還存在其他類型的透明軟的致動(dòng)器的具有替代致動(dòng)諸如氣動(dòng)/液壓致動(dòng)器，和功能性復(fù)合材料的致動(dòng)器。雖然氣動(dòng)致動(dòng)器軟一般要求的壓縮空氣的外部源施加由所述閥系統(tǒng)，它們具有高輸出力的優(yōu)勢(shì)并保持其形狀，而不額外輸入能量。由功能復(fù)合材料制成的軟促動(dòng)器通常不依靠電力，而是利用諸如濕度，pH和周圍溫度等環(huán)境刺激。

除了氣動(dòng)致動(dòng)器，Yuk等人還介紹了液壓驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器。透明堅(jiān)固的水凝膠表皮，因?yàn)橐簤呵豢沙惺?000次以上的液壓驅(qū)動(dòng)操作，而不會(huì)發(fā)生泄漏或故障。由于液壓腔主要由水組成，因此所提供的執(zhí)行器在水中具有幾乎相同的光學(xué)和聲音特性，從而使整個(gè)系統(tǒng)從水生環(huán)境中消失(圖 5a)。通過這種偽裝功能，演示了透明的機(jī)器人魚，手指和抓手，顯示出了無(wú)法察覺的運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)(圖 5a，底部)。結(jié)果，由堅(jiān)硬的水凝膠組成的液壓執(zhí)行器已證明在任何其他透明的軟執(zhí)行器中顯示出最高的輸出力(10 N)。

圖5 透明軟執(zhí)行器中的替代執(zhí)行類型。a)液壓執(zhí)行器及其光學(xué)特性。在水生環(huán)境中，透明的機(jī)器人魚，手指和主要由水凝膠制成的抓取器被偽裝起來，以展示出感知運(yùn)動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。b)可響應(yīng)的雙向形狀記憶效應(yīng)(rbSME)，可響應(yīng)編程的溫度，并通過rbSME演示透明的軟抓手。c)離子復(fù)合水凝膠的3D打印和滲透驅(qū)動(dòng)。d)靜電各向異性水凝膠的介電常數(shù)轉(zhuǎn)換和加熱/冷卻時(shí)L形水凝膠致動(dòng)器的位移曲線促進(jìn)了熱響應(yīng)致動(dòng)。

3.透明的軟傳感器

為了感測(cè)外力或發(fā)出用于控制機(jī)器人的信號(hào)，軟傳感器已經(jīng)在電子皮膚和軟機(jī)器人領(lǐng)域進(jìn)行了許多研究。這些領(lǐng)域的許多同事已經(jīng)提出了各種方法，以將多種感知融入柔軟而富有彈性的特征中。

3.1啟用圖案化的透明軟傳感器

盡管材料的固有剛度通常會(huì)限制應(yīng)變伸長(zhǎng)率，但是具有極薄厚度的電子產(chǎn)品可以很好地與曲線和動(dòng)態(tài)表面相接，從而在無(wú)法感知的電子皮膚功能以及機(jī)器人感知方面取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。通常厚度在幾微米到300 nm之間的超薄薄膜電子產(chǎn)品具有超輕和無(wú)阻礙的物理特性，建立了難以察覺的觸覺傳感器陣列和PLED，可以以皺紋或皺折的方式貼合皮膚，而不會(huì)影響性能(圖 6a) 。

圖6 圖案化使透明的軟傳感器成為可能。

3.2本質(zhì)透明的軟傳感器

在制造透明的軟傳感器時(shí)，許多導(dǎo)電材料(例如金屬和碳)通常會(huì)受到剛度，脆性和不透明性的限制。但是，在開發(fā)用作透明軟傳感器的本質(zhì)上柔軟且可拉伸的材料方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步。在本節(jié)中，將討論以各種方式設(shè)計(jì)的本質(zhì)透明的軟傳感器。離子蒙皮是由松散交聯(lián)的聚合物鏈制成的離子導(dǎo)電透明傳感器，該鏈充滿水或其他離子液體(圖 7a)。

圖7 本質(zhì)上透明的軟傳感器。

4 通過偽裝的假象

可編程迷彩系統(tǒng)可以成功替代透明材料。通過改變它們的皮膚顏色和形態(tài)來模仿它們的周圍環(huán)境，可能無(wú)法察覺這些結(jié)構(gòu)。最早的偽裝軟機(jī)器人是由哈佛大學(xué)和國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)的科學(xué)家創(chuàng)建的，該機(jī)器人能夠?qū)⑵淠w色調(diào)整為背景，甚至隱藏在紅外區(qū)域。氣動(dòng)軟機(jī)器人內(nèi)部的著色元素由開放式微通道提供。如圖 8a所示，當(dāng)機(jī)器人向巖石移動(dòng)時(shí)，它會(huì)主動(dòng)偽裝。通過將高導(dǎo)熱性的材料注入通道，軟機(jī)器人還具有紅外偽裝的能力。

圖8 可偽裝皮膚材料的進(jìn)步。a)注入顏料而偽裝的軟機(jī)。b)受頭足類動(dòng)物啟發(fā)的可伸展多式聯(lián)運(yùn)迷彩平臺(tái)。c)通過電沉積金和納米陣列的等離子體光譜特性，使皮膚發(fā)生主動(dòng)變色。d)具有熱致變色彈性體皮膚和嵌入式液態(tài)金屬加熱器的可拉伸變色皮膚。e)仿生致動(dòng)器的同時(shí)各向異性和變色致動(dòng)。f)模仿周圍環(huán)境的可編程機(jī)器人組織。

5 當(dāng)前的挑戰(zhàn)和觀點(diǎn)

透明傳感器，致動(dòng)器以及可撓性皮膚的最新發(fā)展帶來了各種策略，使得集成式感知系統(tǒng)的開發(fā)成為可能，該系統(tǒng)在各種應(yīng)用(如臥底操作和可穿戴輔助設(shè)備)中具有巨大潛力。 盡管最近進(jìn)行了所有改進(jìn)，但仍有許多實(shí)際工作要做。 我們可以預(yù)見到傳感器和執(zhí)行器的集成，通過各種化學(xué)和生物能源的自供電自動(dòng)化以及通過與機(jī)器智能的集成將傳感器信號(hào)識(shí)別的新水平。 我們對(duì)不可察覺的軟機(jī)器人技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)的觀點(diǎn)將包括以下內(nèi)容(圖9)。

圖9 從解決當(dāng)前目標(biāo)到解決當(dāng)前問題的不可感知的軟機(jī)器人技術(shù)(ISR)的觀點(diǎn)。

【陳述總結(jié)】

軟致動(dòng)器和軟傳感器中新材料和設(shè)計(jì)開發(fā)的最新進(jìn)展旨在通過將兩個(gè)相似的研究領(lǐng)域(軟機(jī)器人技術(shù)和可穿戴設(shè)備)融合在一起來推動(dòng)產(chǎn)生新技術(shù)要求的最終目標(biāo)。在此，我們通過介紹其三個(gè)主要硬件組件(透明的軟致動(dòng)器和傳感器以及迷彩皮膚)中的最新技術(shù)，并介紹了隱身的重要性，介紹了一種新型的隱身軟機(jī)器人(ISR)。一類新的應(yīng)用程序，例如可秘密操作的軟機(jī)器人，輔助設(shè)備，軟機(jī)器人假肢以及人機(jī)交互可穿戴設(shè)備。同時(shí)有效地理解當(dāng)前軟機(jī)器人系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)和當(dāng)前挑戰(zhàn)已導(dǎo)致對(duì)電子皮膚的現(xiàn)有技術(shù)的補(bǔ)充實(shí)施，并進(jìn)一步朝著向軟機(jī)器人領(lǐng)域中的新型應(yīng)用程序范式轉(zhuǎn)變發(fā)展。這些進(jìn)步將包括透明軟功能材料的不斷發(fā)展，以及在傳感，驅(qū)動(dòng)和偽裝皮膚整合方面的新策略，以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的光學(xué)和機(jī)械感知性能。