“這種軟體彈跳機(jī)器人可在 15 毫秒內(nèi)完成跳躍，起跳速度超過(guò)每秒 2 米，且能夠跳躍超過(guò)其自身高度的 108 倍，這是迄今為止軟體機(jī)器人彈跳的最高水平�！闭憬髮W(xué)張承謙博士表示。
他所描述的是最近與團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)一項(xiàng)研究成果磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的超快速雙穩(wěn)態(tài)軟體彈跳機(jī)器人。
它由非磁性和磁性彈性體組成，形成了類似金字塔的折疊結(jié)構(gòu)，能夠根據(jù)內(nèi)部勢(shì)能的變化保持兩種穩(wěn)定狀態(tài)，為未來(lái)在復(fù)雜環(huán)境中的機(jī)器人應(yīng)用提供了新的可能性。
圖丨該論文第一作者唐道梵（左）和共同一作兼通訊作者張承謙（來(lái)源：張承謙）
近日，相關(guān)論文以《雙穩(wěn)態(tài)軟體彈跳機(jī)器人能夠快速響應(yīng)并具有高起跳速度》（Bistable soft jumper capable of fast response and high takeoff velocity）為題發(fā)表在 Science Robotics[1]。
浙江大學(xué)博士生唐道梵是第一作者，張承謙博士是共同一作兼通訊作者，浙江大學(xué)趙朋教授和美國(guó)卡內(nèi)基梅隆大學(xué)卡梅爾馬吉迪（Carmel Majidi）教授擔(dān)任共同通訊作者。
圖丨相關(guān)論文（來(lái)源：Science Robotics）
過(guò)去，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在折紙平面結(jié)構(gòu)方向取得進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步提出：如果將折紙做成立體結(jié)構(gòu)會(huì)實(shí)現(xiàn)怎樣的效果呢？
在探索過(guò)程中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)了一種具有雙穩(wěn)態(tài)特性的結(jié)構(gòu)，它能夠維持在兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并通過(guò)外部磁場(chǎng)觸發(fā)結(jié)構(gòu)的快速轉(zhuǎn)變，來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的瞬時(shí)釋放。
唐道梵表示：“這種結(jié)構(gòu)的獨(dú)特之處在于其能量存儲(chǔ)和快速釋放的能力，這啟發(fā)了我們將這一特性應(yīng)用于需要快速能量釋放的彈跳機(jī)制。”
圖丨雙穩(wěn)態(tài)軟體彈跳機(jī)器人的構(gòu)造、機(jī)制和最大彈跳高度（來(lái)源：Science Robotics）
為提升輸出功率，研究人員從以下兩方面著手：
首先，縮短結(jié)構(gòu)形變過(guò)程中越過(guò)能量最高點(diǎn)，并進(jìn)入下一個(gè)穩(wěn)態(tài)所需的時(shí)間，這要求優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)快速切換穩(wěn)態(tài)。
其次，增大能量頂峰與下個(gè)穩(wěn)態(tài)之間的能量峰值差距，通過(guò)調(diào)整機(jī)器人的金字塔結(jié)構(gòu)建模參數(shù)，控制其在達(dá)到臨界值時(shí)儲(chǔ)存的能量最大化，同時(shí)釋放時(shí)間最小化。
傳統(tǒng)的軟體材料因柔順性而無(wú)法產(chǎn)生巨大力量，限制了其承載能力。
與之對(duì)比的是，該研究中的軟材料通過(guò)采用功率放大機(jī)制，在單位時(shí)間內(nèi)快速釋放能量，實(shí)現(xiàn)了高輸出功率。
基于功率放大原理，研究人員對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，以提高其整體輸出功率，從而實(shí)現(xiàn)更高的彈跳性能。通過(guò)精細(xì)調(diào)整增強(qiáng)了彈跳高度，使軟體彈跳機(jī)器人的性能得到了顯著提升。
實(shí)際上，彈跳機(jī)器人面臨的主要挑戰(zhàn)之一，是如何構(gòu)建除跳躍之外的第種運(yùn)動(dòng)模式連續(xù)微跳模式。該模式能在高頻率下實(shí)現(xiàn)小幅度且精細(xì)的位置調(diào)控，彌補(bǔ)單純大范圍跳躍可能帶來(lái)的位置不可控性的問(wèn)題。
為了實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的精確控制，該課題組進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)和理論模擬，成功區(qū)分并實(shí)現(xiàn)了這兩種運(yùn)動(dòng)模式的有效切換。他們通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)，如折痕的厚度、寬度以及整體結(jié)構(gòu)的高度等，優(yōu)化了能量存儲(chǔ)和釋放的過(guò)程。
因此，除了在彈跳高度和響應(yīng)速度方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)越性能，彈跳機(jī)器人在可控性方面也具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)“指哪跳哪”。
在實(shí)際應(yīng)用方面，研究人員展示了雙穩(wěn)態(tài)軟體彈跳機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力。
例如，在模擬的管道清洗任務(wù)中，該機(jī)器人成功地通過(guò)了充滿水的管道，并釋放化學(xué)劑凈化管道中的水。這一演示不僅證明了機(jī)器人在干燥和水下環(huán)境中的操作潛力，也展示了其在狹窄和復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性。
未來(lái)，該技術(shù)在有望應(yīng)用于膠囊微型機(jī)器人等需要高能量存儲(chǔ)釋放的領(lǐng)域，幫助機(jī)器人在體內(nèi)快速實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ)和釋放，并滿足組織抓取或藥物釋放的需求。
此外，該課題組將探索機(jī)器人小型化方向，通過(guò)解決一系列科學(xué)問(wèn)題，使其能夠進(jìn)入醫(yī)學(xué)和生物學(xué)環(huán)境，如人體或動(dòng)物體內(nèi)。
目前，該研究面臨的困難之一在于，沒(méi)有成熟的一體化的制造方法來(lái)構(gòu)建金字塔狀結(jié)構(gòu)，特別是在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和制造精度的前提下，手工制作難以實(shí)現(xiàn)非常小且精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
“若要達(dá)到更高的跳躍倍數(shù)，需要將機(jī)器人做得更小、更精細(xì)，但現(xiàn)有的制造技術(shù)限制了這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)�！睆埑兄t表示。
另一方面，他們?cè)隍?qū)動(dòng)方式方面也將尋求創(chuàng)新，希望通過(guò)集成感知能力，將軟體彈跳機(jī)器人發(fā)展成為驅(qū)感知一體的機(jī)器人，使機(jī)器人不僅具備運(yùn)動(dòng)能力，還能進(jìn)行環(huán)境感知和信號(hào)傳輸。
具備感知能力的軟體機(jī)器人將具有更廣闊的應(yīng)用潛力，例如進(jìn)入人體后能夠傳輸回位置信息和環(huán)境信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)其整體環(huán)境的清晰了解，這是也目前軟體機(jī)器人發(fā)展的重要方向。
此外，該課題組還計(jì)劃探索機(jī)器人的集群控制，通過(guò)磁場(chǎng)的精確調(diào)控實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)機(jī)器人的單獨(dú)控制。這一技術(shù)的發(fā)展有望為軟體機(jī)器人在搜索救援、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的可能性。
參考資料：
1.Tang,D., Zhang,C. et al. Bistable soft jumper capable of fast response and high takeoff velocity. Science Robotics 9,93 (2024). https://doi.org/10.1126/scirobotics.adm8484
運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍
