以流体驱动全柔性人工肌肉

浙江大学机械工程学院教授邹俊的主攻方向是软体机器人，2019年1月，AdvancedMaterialsTechnologies在封面刊登论文《真空驱动的软气动柔性扭转执行器，赋予软体机器人新的功能》“Vacuum‐PoweredSoftPneumaticTwistingActuatorstoEmpowerNewCapabilitiesforSoftRobots”，他是该论文的通讯作者，文中描述了一种由真空驱动的柔性扭转执行器。

該研究的立项起因在于，传统硬体机器人的抓手如波士顿机器狗，主要依靠机械电机关节来改变其抓取方向，而软体机器人却缺少类似的“柔性关节”，因此灵活性会受限。

虽然已有部分软体机器人拥有柔性抓手，但普遍比较“死板”，比如只有物体处于特定摆放角度才能被抓手抓住，因此柔性关节设计非常有必要。

基于此，邹俊开始投入研究，一开始他们曾提出一种刚柔结合的设计方案——在执行器的4条棱边中，插入四根由PLA（Polylacticacid，聚乳酸）制作的倾斜杆，执行器气室被抽成真空后，就会沿着杆的倾斜方向扭转。

但在操作中，执行器的四根杆被意外掰断，邹俊索性将错就错，做出一个没有杆支撑的柔性关节，结果效果反而比想象中更好。

不久后，他的最终方案成型，即用一个真空驱动的柔性扭转执行器（ V -SPTA，Vacuum-Powered Soft PneumaticTwisting Actuators）作为软体机器人的“柔性关节 ”。

据悉，V-SPTA完全采用柔性材料制作，拥有超长使用寿命。相比传统气动执行器，V-SPTA的气室连接处非常坚强， 如下图哪怕用针戳几个小孔，依然能够正常使用。

而此前的传统气动执行器，它们的最大缺点在于容易漏气，在高压气体的作用下， 气室连接处很容易裂开、漏气，最终影响气动执行器的使用寿命。

此外，V-SPTA还拥有较强的负载能力，如下图，高度20mm为的V-SPTA，其重量仅有19g ， 但却能驱动9kg以上的物体，经测量发现，这是其自重的473倍。

与同类全柔性线性执行器相比， V-SPTA的提重能力是它们的5倍以上。

通常来讲，和人体关节一样，机器人的关节也是一种通用运动模块，它不仅能改变抓手方向，还能改变机械臂的弯曲方向，而柔性关节同样具备上述功能。

故此，在验证V-SPTA的应有功能时，邹俊模仿硬体工业机器人，并制作一个全柔性“胳膊”。

他把两个V-SPTA分别作为软体机器人的机械臂关节和抓手关节，其中机械臂关节用于改变柔性机械臂的弯曲方向，抓手关节用来改变柔性抓手的抓取方向，为的是让全柔性“胳膊”可适应被抓物体的各种摆放角度以及将物体放在不同位置。

和其他气动执行器结合，V-SPTA可实现模仿人手拧开瓶盖的过程。

V-SPTA还可组装成可旋转的柔性爬行机器人，将7个V-SPTA和3D打印零件连接起来，就可以产生一个爬行机器人，它拥有左转、右转、直线行走、原地旋转等多种功能。

据邹俊表示，此前多数柔性气动爬行机器人要么不具备转向能力、要么转向速度偏慢，而上述爬行机器人采用一种全新转向模式，可在行进过程中实现转向和原地旋转，转向速度可达25.7°/s ，高于多数同类研究成果。

在第三个应用中，邹俊把V-SPTA组装成柔性管道机器人，该机器人可在水平管道以及竖直管道中爬行，功能上除了清理和检测管道之外，还能在管道中运送物体。

概括来说，V-SPTA扩大了软体机器人的能力，同时最大程度地减少了执行器设计的复杂性、并降低了制造成本。放在工厂生产线上，能起到类似关节机器手的作用，可用于拧螺丝、抓取物体等。

第二篇SCI封面论文：适用于基于柔性材料的可重构软体机器人的高级人工造肌肉时隔不久，邹俊在Advanced Science发表了另一篇封面论文，标题为《适用于基于柔性材料的可重构软体机器人的高级人工造肌肉》。

该研究是对前文第一个工作的扩展，即把机器人变成类似于乐高积木的物体，借此实现想要的各种复杂运动。在第一个工作中，给软体机器人吸气的时候，它不仅旋转还会收缩，没有把运动完全分离开，等于是两个运动的复合体。

相比第一个工作，第二个工作通过模块组合将复合运动解耦，实现了单个运动，这样可大大丰富机器人的运动能力，因此是很大的进步。

打个比方，一个物体需要两个配件同时存在才可运动，而现在两个配件分开后，物体也可实现独立运动。

同时，第二篇SCI灵感来源于很多人都熟悉的一种民间艺术——折纸，通过模仿折纸的折叠运动，邹俊设计了一种流体驱动的全柔性人工肌肉，它可通过直线运动、旋转运动、弯曲运动，去实现所有的运动。

因为任何运动都由直线、弯曲、旋转这些基本的运动组合而成。这样的话，机器人的使用场景会更精细。打个比方，电风扇就只需要旋转运动，而不需要直线运动。

具體研究中，邹俊通过使用刚性连接和柔性软连接两种连接方法，设计出快速连接的人工造肌肉，这种人造工肌肉可重新配置成各种软体机器人，通过一个关节，即可实现直线运动和旋转运动，并且通过不同组合还可实现复杂运动，从而实现模块化机器人的概念。

如图所示，固定环、螺钉、螺母和刚性连接器等刚性物体，用于连接人工造肌肉的两个底面/顶面。其中刚性螺旋连接器在可靠性、稳定性和可拆卸性上，拥有显着优势。

柔性软吸盘连接器具有与人工造肌肉相同的驱动源，它可用于连接两个人工造肌肉，从而可以在单个软体机器人中有效集成多种功能。

其单个肌肉模块可同时实现伸缩+扭转的复合运动、以及弯曲+扭转的复合运动，多模块组合还可实现伸缩、弯曲、扭转、径向运动等。

这些软体“积木”可组装成各种各样的软体机器人， 如四足爬行机器人、柔性抓手、管道机器人、柔性手腕等，最终实现了“积木”型软体机器人。

据悉，这类机器人制作简单，成本也比较低，还可根据需要完成的任务将模块化单元重新配置为一组，和针对大型特定任务的整体式机器人，拥有一样的效果。

同时，这种折纸设计还有助于基于柔性材料的机器人的应用，并在由各种柔性材料如水凝胶、电活性聚合物，液态金属等制成的软体机器人中具有广阔的应用前景。

这项研究还被邹俊和学生带到2019年哈尔滨工业大学举办的“HRG博实杯”第一届中国研究生机器人创新设计大赛上。

大赛共有来自220家高校的1311支队伍参加，四位同学参赛的作品《可重组的多功能人工肌肉》最终获得全国总决赛一等奖，同时也是当时浙江大学参赛队伍中唯一获得一等奖的团队。

论外观，邹俊课题组的机器人未必“颜值最佳”，在柔性机器人方面，过去没有人系统地、给其做类似乐高积木的工作。仍以乐高积木为例，由于它是硬性物体，因此可实现各种模型， 而多数软体机器人很难实现。

谈及未来，邹俊表示目前模块化软体机器人方向的研究越来越受关注，并且取得一定的进展。但是由于现有模块化软体机器人只能实现简单的配置， 完成一些简单的任务，目前研究还处于较低的水平。

未来， 他打算探索更加先进的技术或方法来克服诸多挑战， 以实现自主的、敏捷的、强大的以及智能的模块化软体机器人。