供稿人：賀佩、賀健康 供稿單位：西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 發(fā)布日期：2022-11-15
在過去的十年中，軟體機(jī)器人在傳統(tǒng)剛性機(jī)器人無法適應(yīng)的領(lǐng)域確立了自己的獨(dú)特地位。軟體機(jī)器人依賴于流體驅(qū)動(dòng)(例如，液壓和/或氣動(dòng))的柔性材料，促進(jìn)了其在人機(jī)交互的安全性、較低的成本和操縱復(fù)雜和/或微妙物體的幾何適應(yīng)性。然而，目前軟體機(jī)器人應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵障礙在于，增加獨(dú)立操作的軟體執(zhí)行器(或自由度)的數(shù)量通常需要相等或更多的不同控制輸入。為了減少或消除對(duì)這種外部控制方案的需求，美國馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程系的研究人員提出了一種新穎的策略，即通過多材料3D打印，在一次打印中實(shí)現(xiàn)具有集成流控電路的軟體機(jī)器人(圖1)。
圖 1 集成流體電路的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì)和增材制造策略
研究者設(shè)計(jì)了氣壓驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器龜，其工作原理是基于單個(gè)振蕩柵壓（PG）輸入的應(yīng)用，而源壓（PS）輸入被設(shè)置為一個(gè)恒定的量級(jí)。當(dāng)振蕩的柵壓（PG）輸入達(dá)到最小值時(shí)，源壓（PS）輸入主要誘導(dǎo)流體流向流控晶體管的排氣口，而不是流向在尖端流體密封的軟執(zhí)行器(圖2A)。當(dāng)振蕩的柵壓（PG）輸入增加到能夠?qū)ｉT激活具有最大流體特性的流控晶體管時(shí)，通往元件排氣口的路徑被阻塞，導(dǎo)致一部分源壓（PS）誘導(dǎo)的流轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)向相應(yīng)的軟執(zhí)行器(圖2B)。所產(chǎn)生的與流體晶體管相關(guān)的軟致動(dòng)器的膨脹被設(shè)計(jì)成使腳蹼沿向下向后的軌跡移動(dòng)(圖2B)。隨著柵壓（PG）量級(jí)的持續(xù)增加，流控晶體管都被激活，導(dǎo)致兩組相應(yīng)的軟執(zhí)行器的膨脹結(jié)合在一起，為鰭狀肢誘導(dǎo)一個(gè)更大的向后軌跡(圖2C)。當(dāng)振蕩的柵壓（PG）輸入接近其最大峰值時(shí)，最后的射流晶體管激活，導(dǎo)致所有的流動(dòng)轉(zhuǎn)向三組連接的軟執(zhí)行器，這是為了使鰭狀肢向一個(gè)向上向后的軌跡移動(dòng)(圖2D)。之后，這個(gè)循環(huán)相對(duì)于振蕩的柵壓（PG）輸入周期性重復(fù)(圖2,A到D)。
圖 2 基于正弦輸入的軟體機(jī)器龜?shù)墓ぷ髟砑皩?shí)驗(yàn)結(jié)果。
在這項(xiàng)工作中，研究人員首次引入了使用完全集成流體電路的軟體機(jī)器人的一體化增材制造的概念。為了支持控制軟體機(jī)器人功能的底層流控電路的復(fù)雜性，提出了與3D打印策略兼容的基本的流控元件，包括流控二極管以及常閉和常開流控晶體管。過去，傳統(tǒng)制造的流體操作器很難實(shí)現(xiàn)和/或定制流體特性。而本研究所報(bào)道的兩組流體晶體管的一個(gè)特別重要的特性來自于一個(gè)介入活塞連接的源漏區(qū)和柵極區(qū)的橫膈膜，流體相關(guān)的行為可以直接通過幾何手段(即橫膈膜直徑之比)按需要調(diào)整。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，無論是獨(dú)立的還是集成為大型集成流控電路的一部分時(shí)，流控電路元件表現(xiàn)出的性能特征都與電子元件一致。雖然這項(xiàng)工作中的流控元件和流體電路是針對(duì)軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)的，但流體閥門和功能可以廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物和生物醫(yī)學(xué)等重要領(lǐng)域。