气动式软体机器人的应用领域与发展方向

李雅菲　汪霞　姚启桂

摘 要：目前软体机器人成为机器人研究的重点，气动软体机器人相较于常见的软体机器人更柔软、低耗能、无污染且环境适应性强、灵活度高、易于控制，是软体机器人在未来的重要发展方向。气动软体机器人在生物医学、搜救、探测、教育等领域越来越重要，并逐渐向人们的生活延伸，在服务、娱乐等方面也可见其身影。

关键词：软体机器人;气动;柔软;应用领域

近年来，软体机器人一直是学术界公认为的新一代机器人最具有潜力的研究方向，将对机器人领域产生革命性影响。气动式软体机器人由弹性材料构成，它可利用体内气压变化产生气压差来实现自身的形态转变和连续运动，通过变形可以兼容障碍物，适应极端环境。气动式软体机器人具有内在的高柔性、自适应性和自然安全的可交互性，刚度可调，可在大范围内改变自身形状和尺寸。不需要铁磁或电子元件驱动，无活动部件，具有良好的柔韧性。在强辐射、强电磁、粉尘以及外力碾压重击等条件下拥有较好的可靠性。这使得气动软体机器人在军事、医疗、救援、教育、探索等领域显示出巨大的发展潜力[1]。

1研究现状

随着科技的发展，材料学、控制等学科的不断突破，以及人们对医疗卫生、救援、野外勘测等特殊应用需求的日益增长，气动软体机器人早已经不仅局限于实验室，飞速进入了多种应用领域。

1.1工业制造和医疗康复领域

软体机器人特有的柔韧性让人们看到了它在很多领域的发展性。J.Mckiben利用气动人工肌肉[2]帮助小儿麻痹症病人锻炼手腕，主要由橡胶管和纤维编织网组成，通过向橡胶管管腔充气，使胶管径向膨胀，从而带动驱动器沿轴向收缩，带动人工肌肉。北京软体机器人公司研发出了一种气动软体机械夹具，重复定位精度为0.1mm，可实现对物品精准无误地抓放。另外还已研发出一款双向运动的康复手外骨骼机器人[3]，每根手指有一个二自由度的直线型气动肌肉，可抓取3kg物体。可用在自动化生产线甚至水下作业，代替潜水员做一些危险工作。

1.2探测、搜救领域

哈佛大学设计了一款四足运动机器人[4]，利用气压驱动材料和Pneu-Net驱动器产生大范围柔性变形，具有很高的强度和负载能力，能在湿雪地，泥泞路面、火焰、高压等环境下运动。斯坦福大学研发了一款软体机器人Vine-link robot[5]，全身被薄的软塑料包裹成管柱体，部分部件向内折叠。驱动时将内部褶皱展开，使躯体延伸并按照设定方向移动。它可以举起100 kg的木箱，以各种蜿蜒曲折的姿态通过不同的障碍物，并可以抵御火焰的高温。

德克萨斯大学达拉斯分校的研究人员研发了一种仿生水母软体机器人。该机器人的主要运动机制是通过向机器人下方喷射流体产生反作用力，推动其在水中运动，哈佛大学在此基础上进行改进，使用新型柔性气动复合执行器架构，可获得较大的瞬时推力，实现垂直方向上的快速游动。该气动软体机器人实现具备一定载荷的快速垂直游动，未来或可用于水下快速救援、资源勘探、水下地形勘测等方面。

1.3临床医学领域

哈佛大学将充气式软体机器人应用到了医学领域，将软体机器人制成套状结构，放置在心脏周围，持续为衰竭的心脏提供动力，该机器人不会与血液接触，降低了血管阻塞的风险，未来或可应用于临床维持人体心脏的跳动。人们还希望能直接将药物送至人体内伤口或病原处，目前已在研究可用于人体肠道内窥镜的气动软体机器人，减少电子内窥镜刚性机械零件对人体肠道造成的伤害，并可对复杂肠道进行全面检测。

2未来发展

气动软体机器人在强辐射、电磁场、多灰尘等恶劣环境下具有独特优势，柔性充气结构被广泛用于人們探索世界以及社会生活的进程中。航空航天应用的大型充气展开结构设计和制备涉及的领域较多，主要包括化学材料、包装展开技术、表面工程、工程测量、动力学以及气动建模仿真等。气动软体机器人还可以与工人一起工作，在装配行业可以高效配合人们完成分拣物体、装配，在服务行业可以安全可靠地端茶递水，准备食物等。在很多行业可以代替人类为企业省下劳动力。甚至在课堂上，气动软体机器人系统的模块性和软性使得它成为一个潜在的有价值的教育工具。机器人可以充当形状显示，动态改变形状，作为一种高刷新率的3D打印机。充气式软体机器人除已应用的领域外，也将为其他领域提供思路，能够为航天器大型化轻量化的发展目标、高效能减速器的设计、太空旅馆概念的实现提供可行的技术途径。同时， 充气结构也用在飞艇、无人机等领域， 可在信息获取方面发挥至关重要的作用。未来将是一个“可折叠的轻量化”时代。

参考文献：

[1]管清华，孙健，刘彦菊等.气动软体机器人发展现状与趋势[J].中国科学：技术科学，2020，50（07）：897-934.

[2]SALISBURY J K，ROTH B.Kinematic and force analysis of articulated mechanical hands [J].Journal of Mechanical Design，1983，105（1）：287-294.

[3]徐丰羽，孟凡昌，范保杰等.软体机器人驱动、建模与应用研究综述[J]南京邮电大学学报（自然科学版）2019，39（3）：64-75.

[4]TOLLEY M T，SHEPHERD R F，MOSADEGH B，et al.A resilient，untetherrd soft robot[J].Soft Robotics，2014，1（3）：213-223.

[5]徐丰羽，孟凡昌，范保杰等.软体机器人驱动、建模与应用研究综述[J]南京邮电大学学报（自然科学版）2019，39（3）：64-75.

作者简介：

李雅菲，女，生于2000年4月，汉族，山西长治人，江苏大学本科在读，测控技术与仪器专业

汪霞，生于1999年4月，汉族，贵州遵义人，江苏大学本科在读，测控技术与仪器专业

姚启桂，生于1998年12月，汉族，贵州遵义人，海南热带海洋学院本科在读，环境设计专业

基金项目：江苏大学第18批大学生科研课题立项资助项目

项目编号：18A178

（1.江苏大学 江苏 镇江212013;2.海南热带海洋学院 海南 三亚 572022）