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软机器人通常由比人体肌肉还要柔软的软材料制造而成 ，通过控制其柔软身体的变形来模仿自然界中各种软体动物的运动，比如毛毛虫，蛇、鱼以及水母等。和刚性机器人相比，软机器人在柔性、灵活性、以及安全性等方面都具有优势。但是同时，柔性材料也带来了一些天然缺陷，比如响应慢及力量小等，因此大多数软机器人运动速度较为缓慢，介于每秒0.02至0.8个身长（自身身体长度）。自然界中蜗牛的爬行速度为每秒0.1-0.2个身长，而猎豹的速度为每秒16个身长。如何让软机器人也能高速跑起来成为了一个亟待解决的问题。


近日，北卡州立大学（NCSU）尹杰教授团队和科罗拉多州立大学（CSU）赵建国教授以及纽约市立大学（CCNY）苏浩教授团队合作，通过巧妙利用双稳态间的快速跳转（snap-through bistability），实现了可以像猎豹一样奔腾的快速奔跑软机器人（身长约7厘米重量约50克），其速度可达每秒2.7个身长（187.5mm/s）。同时该双稳态机制有多方面用途，既可以实现水下软机器人的快速游动，速度可达每秒0.8个身长（117mm/s）；又可以用于可调节抓力的软机器人抓手（可抓取易碎的生鸡蛋也可提起重达10公斤的哑铃）。

北京时间2020年5月9日，论文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”为题发表在Science Advances上。
 猎豹柔性脊背的启发

猎豹的脊背柔软且富有弹性，通过拉伸背部肌肉来控制脊背的快速弯曲以及伸长，来实现高速奔跑（图1a）。受此启发，研究团队设计了柔性脊背软机器人（图1b），脊背的变形由软“身体”-气动软驱动器-来驱动。该驱动器有上下两层气道，在充气加压后可以双向弯曲，从而带动脊背的上下弯曲变形。为了实现脊背的快速运动，研究团队给脊背装上了“肌肉”-预拉伸弹簧（图1b）-来存储能量，使其变身成为一个双稳态机构（图1c）：背部向上弯或向下弯代表两种稳定状态；背部变直时，为失稳状态。当来回摆动“身体”时，“肌肉”中的能量得以储存和快速释放，柔性脊背在双稳态间来回突跳，从而实现类似猎豹脊背的快速运动。团队将此机器人命名为LEAP高性能软机器人。
 

图1：（a）柔性脊背软机器人来模拟猎豹在高速运动中脊背的弯曲以及伸展。（b）双稳态软机器人设计图 。（c）双稳态能量图。


团队研究显示双稳态机制可以让LEAP软机器人像猎豹一样（图2a），快速奔跑起来，速度可达每秒2.5个身长（174mm/s）（图2b），该速度比目前报道的最快软机器人快约3倍（图2c）。与贴地爬行的传统单稳态软机器人相比，团队显示双稳态机制具有下列独特优势：

  • 更快（响应时间缩短20倍，突跳时间约50毫秒，运动速度提高2倍（图2b））

  • 更强（力量输出提高3倍，可以爬坡（图2d）等）。

 

图2：（a）类似猎豹奔腾姿态（b）单稳态无脊背软机器人与双稳态脊背软机器人（LEAP）速度对比（c）LEAP软机器人与各种机器人与动物的速度体重对比图。（d）LEAP软机器人爬坡


Video 1: 双稳态与单稳态软机器人即时速度对比：双稳态脊背（上），无脊背（中），单稳态脊背（下）


Video 2: 奔腾慢动作（八倍慢速）


Video 3：双稳态与单稳态软机器人爬坡对比：双稳态脊背（左），无脊背（中），单稳态脊背（右）

 LEAP高性能软机器人的多场合应用
该团队展示LEAP机器人也可以实现水下的快速运动以及变刚度机械手的抓取等。
 

图3.（a）LEAP水下软机器人示意图。（b）单稳态 与双稳态软机器人速度比较。（c）LEAP水下软机器人与其它报道水下软机器人速度驱动频率对比。（d）可调节抓力机械手


Video 4： 双稳态与单稳态水下软机器人游动即时速度比较：双稳态脊背（上），无脊背（中），单稳态脊背（下）

Video 5：变刚度机械抓手


快速水下软机器人：当给软驱动器身后加装一个柔性尾巴，通过左右摆动身体，可以模拟鱼的游动（图3a-3b）。以往研究表明，驱动频率越高，软机器人游动速度越快，在5Hz的驱动频率下，最快速度可达0.7身长/秒（图3c）。该研究显示即使在低频驱动下（比如约1.3Hz），双稳态间的快速突跳使其速度也可高达每秒0.78个身长（图3c）。

变刚度机器人抓手：通过实时调节弹簧中的拉力，机械手的刚度也可以随之改变。基于此，该团队展示了可以实时改变抓力的机械手。机械手既可以抓取易碎的鸡蛋，又可以抓取不规则形状线圈，矿泉水，以及直接抓取哑铃等（图3d）。

 展望
该工作利用失稳原理来加快软材料的响应，理论上该原理也可以推广到其它双稳态以及多稳态软机构，以及更小尺度和活性材料驱动器比如液晶弹性体，水凝胶，形状记忆聚合物和电介质弹性体等。驱动原理将不限于气压或水压，可推广至相应的外部刺激比如温度、pH、光、电场以及磁场等自主软机器人。



团队简介


该工作由北卡州立大学尹杰团队主导，与科罗拉多州立大学（CSU）赵建国教授、纽约市立大学（CCNY）苏浩教授以及天普大学（Temple）Andrew Spence教授团队合作完成。通讯作者为尹杰教授。该工作第一作者是尹杰团队的唐一超博士，其它作者有尹杰团队博士生赤银鼎，科罗拉多州立大学Sun Jiefeng，纽约市立大学Huang Tzu-Hao和天普大学Maghsoudi Omid。


尹杰团队目前致力于机械超材料，软体机器人，以及多功能界面材料的研究。（https://jieyin.wordpress.ncsu.edu/）


文章信息

Y. Tang, Y. Chi, J. Sun, T. Huang, O. M. Maghsoudi, A. Spence, J. Zhao, H. Su, J. Yin*, Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots, Science Advances, 6, eaaz6912 (2020)


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