受自然界生物啟發(fā)，軟體機(jī)器人憑借其柔性材料和柔順結(jié)構(gòu)，在適應(yīng)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境及人機(jī)安全交互方面展現(xiàn)出巨大潛力。然而其制造過程一直面臨重大挑戰(zhàn)。

目前的主流方法如硅膠澆注造依賴手工操作、重復(fù)性差；3D打印彈性材料則存在剛度高、變形受限和后處理繁瑣等問題。更重要的是，現(xiàn)有軟機(jī)器人多為多為單一功能載體，若要實(shí)現(xiàn)多功能集成，通常需分別制造各個多個驅(qū)動器模塊并手工組裝，不僅流程復(fù)雜和效率低下，還易因組裝誤差影響整體性能。

織物因輕質(zhì)、柔性等優(yōu)勢被用于軟體機(jī)器人制造，但現(xiàn)有技術(shù)多將其作為應(yīng)變限制層或彈性氣囊外套，缺乏可編程的整體制造方案，難以構(gòu)建復(fù)雜流體腔室實(shí)現(xiàn)多樣變形?，F(xiàn)有熱壓等工藝多限于二維雙層或多層堆疊，雖能實(shí)現(xiàn)拉伸、彎曲或集成部分功能，但普遍變形能力有限，且仍需手工組裝部件，限制了功能集成與整體性能。

▍提出新型制造方法，突破傳統(tǒng)制造局限

針對當(dāng)前軟體機(jī)器人制造中存在的流程復(fù)雜、功能單一等問題，來自北京大學(xué)先進(jìn)制造與機(jī)器人學(xué)院智能仿生設(shè)計實(shí)驗(yàn)室謝廣明團(tuán)隊(duì)，在國家自然科學(xué)基金、北京自然科學(xué)基金等項(xiàng)目支持下開展了系統(tǒng)研究，提出了一種基于整體可編程織物堆疊的新型制造方法，并成功研制出一系列具備多種功能的仿生軟體機(jī)器人。

圖1 可編程織物堆疊方法制造多功能軟體機(jī)器人

研究團(tuán)隊(duì)所提出的整體可編程織物堆疊制造方法，能夠一體成型具備多模態(tài)運(yùn)動與多種操控能力的功能化機(jī)器人。該方法充分發(fā)揮激光切割與3D打印技術(shù)的高精度和可重復(fù)性優(yōu)勢，最大限度減少了對人工操作的依賴，并提高了制造過程的一致性與可擴(kuò)展性。為驗(yàn)證所提出制造方法的能力，研究團(tuán)隊(duì)首先設(shè)計并制備了拉伸、彎曲和螺旋執(zhí)行器三種基本執(zhí)行器，并對其進(jìn)行了定量測試與理論建模。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)通過編程定義每層織物的輪廓與粘合路徑，成功構(gòu)建了一系列多功能軟體機(jī)器人實(shí)例，展示了該方法的廣泛適用性，這些機(jī)器人包括：集成拉伸、彎曲與扭轉(zhuǎn)運(yùn)動的軟體操作臂、具備四種不同運(yùn)動模式的兩棲機(jī)器人，以及能實(shí)現(xiàn)游動、抓取和運(yùn)輸功能的無纜軟體機(jī)器魚。值得注意的是，所有這些機(jī)器人均通過一體化制造完成，無需后續(xù)手動組裝執(zhí)行器模塊，充分體現(xiàn)了該方法的高效性與便捷性。

作為該團(tuán)隊(duì)早前開發(fā)的具有多運(yùn)動模態(tài)軟體兩棲機(jī)器人的進(jìn)一步拓展（https://ieeexplore.ieee.org/document/10418499），本研究將層疊制造技術(shù)從二維平面推進(jìn)至三維空間。通過“織物輪廓+粘連路徑”的多層編程組合設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了對充氣驅(qū)動下機(jī)器人復(fù)雜三維變形行為的精確調(diào)控。該技術(shù)突破了傳統(tǒng)軟體機(jī)器人制造流程繁瑣、功能受限等關(guān)鍵瓶頸，為快速、高效、多功能一體化的軟體機(jī)器人制造提供了新思路與技術(shù)途徑。

該研究的相關(guān)論文成果已于近期以“Monolithic Programmable Fabric-Stacking Enables Multifunctional Soft Robots”為題在國際期刊《IEEE Transactions on Robotics》（TRO）上進(jìn)行發(fā)表。論文第一作者為謝廣明教授團(tuán)隊(duì)的博士生吳家汐，鄭州大學(xué)副研究員武明信和北京大學(xué)軟件工程國家工程研究中心副研究員王晨為共同作者。

基于整體可編程織物堆疊的新型制造方法解析

研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出“整體可編程織物堆疊”制造方法，核心在于通過編程定義每層織物輪廓和粘連路徑，結(jié)合激光切割與3D打印實(shí)現(xiàn)機(jī)器人整體制造。

在材料選擇上，研究團(tuán)隊(duì)采用了熱塑性聚氨酯（TPU）雙面涂層尼龍編織織物作為制造多功能機(jī)器人的唯一材料，利用高溫?zé)崴軐?shí)現(xiàn)層間牢固粘接。

圖2 可編程織物堆疊驅(qū)動器形態(tài)

制造過程中，研究團(tuán)隊(duì)先通過激光切割將每層織物按預(yù)設(shè)圖案進(jìn)行精確輪廓切割；隨后，將織物依次放置放置在桌面3D打印機(jī)的打印平臺上，控制加熱的擠出機(jī)頭沿編程路徑移動，利用TPU的熱塑性使其與下層織物熔合。

通過逐層堆疊與粘合，所有織物層最終形成一個整體結(jié)構(gòu)。去除支撐材料并進(jìn)行充氣后，即可獲得無需手工組裝、具有多個互聯(lián)氣囊的一體化機(jī)器人。為實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量粘合，擠出頭需對織物施加適當(dāng)壓力，因此粘合路徑必須設(shè)置在實(shí)心織物區(qū)域，避免懸空位置。這一點(diǎn)與熔融長絲制造（FFF）3D打印中使用支撐結(jié)構(gòu)處理懸垂部分的策略類似。但由于TPU等軟材料在作為支撐時難以剝離（易與主體結(jié)構(gòu)融合），研究團(tuán)隊(duì)提出一種受郵票邊緣啟發(fā)的設(shè)計：利用激光切割機(jī)在每層織物上以虛線切割出氣囊輪廓與支撐部分的邊界。全部粘連完成后，支撐部分可沿預(yù)切虛線輕松剝離，僅保留完整的氣囊結(jié)構(gòu)。此外，在激光切割階段即在織物相應(yīng)位置加工圓孔，使得相鄰氣囊在粘合后能夠相互連通，形成統(tǒng)一氣室。

總的來說，在整個制造過程中，激光切割保障了織物形狀的精度，3D打印的粘合連徑則決定了機(jī)器人的變形行為，二者結(jié)合使機(jī)器人具備預(yù)設(shè)形態(tài)與功能。如圖2所示，通過調(diào)控層間粘連路徑，可實(shí)現(xiàn)伸長、彎曲和螺旋三種基本驅(qū)動形態(tài)。研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步建立了相關(guān)模型，分析并構(gòu)建了設(shè)計尺寸、體積與形變之間的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了對驅(qū)動形態(tài)的預(yù)測，為后續(xù)機(jī)器人設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)與設(shè)計依據(jù)。

▍三種多形態(tài)功能一體式軟體機(jī)器人構(gòu)建

利用基于整體可編程織物堆疊的新型制造方法，研究團(tuán)隊(duì)成功研制出三款多功能軟體機(jī)器人，包括大范圍軟體操作臂、軟體兩棲機(jī)器人和無纜軟體機(jī)器魚。這些機(jī)器人在性能與功能集成方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

• 大范圍軟體操作臂

該操作手臂由40層織物堆疊制成，初始高度僅為8 mm，充氣后可延伸至243 mm，伸縮比高達(dá)2941%，性能遠(yuǎn)超同類操作臂。末端集成具備伸縮、彎曲和扭轉(zhuǎn)功能的三指夾持器，單指最大彎曲角度達(dá)110.3°，并可實(shí)現(xiàn)±74.6°的扭轉(zhuǎn)。能夠完成遠(yuǎn)距離抓取球體、高處與低處玻璃擦拭、以及擰卸燈泡等精細(xì)操作。

圖3 大范圍軟體操作臂

• 多模態(tài)水陸兩棲機(jī)器人

該機(jī)器人可通過調(diào)節(jié)充氣量自適應(yīng)改變身體形態(tài)，實(shí)現(xiàn)龜式爬行（0.54BL/s）、狗式行走（0.56BL/s）、蛙式跳躍（0.95BL/s）和魚式游動（0.57BL/s）四種步態(tài)。在測試中，它可拱起身體穿越碎石地面，收縮身體通過寬度僅為80 mm的狹窄縫隙，最后膨脹身體躍入水中游動，展現(xiàn)出極強(qiáng)的復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)能力。

圖4 多模態(tài)水陸兩棲機(jī)器人

• 無纜軟體機(jī)器魚

該機(jī)器魚集成了游動與抓取功能，采用機(jī)身-電路-氣動一體化封裝設(shè)計，內(nèi)置微型氣泵、控制電路和鋰電池。其流線型身體采用雙氣室拮抗驅(qū)動單元實(shí)現(xiàn)尾部擺動，有纜狀態(tài)下最大游速為1.04 BL/s，無纜狀態(tài)下為0.67 BL/s。魚嘴部分由兩個彎曲單元組成，充氣閉合時可產(chǎn)生21.4 N的最大抓取力，能夠完成水下物體搬運(yùn)任務(wù)。

圖5 無纜軟體機(jī)器魚

值得一提的是，該機(jī)器魚還能與真實(shí)魚群互動，引導(dǎo)魚群形成有序隊(duì)列，為生物交互研究提供新工具。

參考文章：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11097364