毛毛蟲啟發的軟爬行機器人

《聖經》上說：「萬物互相效力。」真是一點都沒錯。一篇刊登在《科學》(Science)期刊，由SHUANG WU撰寫的<毛毛蟲啟發的軟爬行機器人>(Caterpillar-inspired soft crawling robot with distributed programmable thermal actuation)指出，軟爬行機器人的許多靈感都來自自然界，例如章魚、蛇和毛蟲。本文報告了一種受毛毛蟲啟發、具有多種爬行模式的節能爬行機器人，該機器人通過圖案化軟加熱器的焦耳加熱實現。

文 / 烈堂 綜合報導

作者說，該軟加熱器由基於液晶彈性體 (LCE) 的熱雙壓電晶片致動器中的銀納米線網絡組成。通過圖案化的分佈式加熱器和可編程加熱，實現了機器人身體的不同溫度和曲率分佈，通過前端和後端與地面之間的摩擦競爭實現雙向運動。研究熱雙晶片行為以預測和優化機器人在熱刺激下的局部曲率。研究了具有爬行速度的雙向驅動模式。展示了通過有限間距障礙物的能力。使用熱響應材料的分佈式和可編程加熱和驅動策略為智能和多功能軟體機器人提供了前所未有的能力。

軟爬行機器人在生物醫學工程、手術輔助、主動假肢、偽裝和感知技術等領域引起了廣泛關注。許多靈感來自動物世界，將軟材料與軟機器人的機械設計相結合，例如章魚、魚、蛇、蠕蟲, 和毛毛蟲。這些動物的一些獨特特徵，包括多模式運動和穿過狹窄的縫隙，在復雜和非結構化環境中可能是有益的。

研究人員還一直在探索使用各種刺激的軟體機器人的不同驅動方法，包括壓力、熱、電場、磁場和化學勢。 在各種類型的刺激中，電刺激是最簡單和最方便的一種，其中廣泛使用離子或場激活的電活性聚合物。對於電刺激致動器，離子激活通常在電解質環境中運行，而場激活則需要高電壓 (>1 kV)。基於兩種材料的熱膨脹係數 (CTE) 不匹配的另一種電刺激致動器，熱雙壓電晶片致動器由於可編程操作、重量輕、低致動電壓、無電解質，並有可能不受限制地運行（例如，通過無線充電）。 _

作者指出，在這裡展示了一種受毛毛蟲啟發的雙向爬行機器人，具有多種運動模式，通過基於 LCE 的熱雙壓電晶片執行器中的分佈式可編程銀納米線 (AgNW) 加熱器的焦耳加熱實現。通過設計的 AgNW 加熱模式和可編程加熱，實現了不同的溫度分佈和曲率分佈，導致前端和後端與地面之間存在不同的摩擦競爭，從而實現雙向運動。為了展示爬行機器人在潛在應用中的功能，我們對正向和反向運動的性能進行了表徵，並測試了通過狹窄間隙的場景。運動模式，爬行速度，

在自然界中，珍珠母蛾Pleurotya ruralis表現出雙向運動。在向前運動過程中，毛毛蟲收縮一些後段，同時固定前段以向前移動尾巴，在背部產生一個特徵性的旅行駝峰。隨後，它在固定終端尖端的同時釋放駝峰。整個毛毛蟲再次變平，因此向前移動了一步， 在反向運動過程中，毛毛蟲將末端固定在地面上，隨後身體中部發生強烈收縮。這個動作會產生一個巨大的駝峰，使整個身體拱起。然後，在固定前部的同時，毛毛蟲釋放駝峰，再次變平並向後移動一步。此處實現雙向運動的關鍵特徵是對身體曲率的控制。雖然毛毛蟲運動學涉及對身體不同部位的更複雜的主動控制，但受毛毛蟲啟發的爬行機器人可以控制身體的局部曲率，可以模仿相同的雙向運動。顯示了爬行機器人在不同加熱通道（或模式）被加熱時的正向和反向運動。