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  本报北京12月4日电(记者邓晖)体长从6毫米到90毫米、质量从0.2克到3克不等,能在不同形貌,如圆柱面内外侧、波浪面、楔形面、球面等表面攀爬,还能在两个不同表面之间过渡——近日,清华大学航天航空学院张一慧教授课题组创新研制出一种可适应不同形貌墙面的微型软体攀爬机器人。

  具备攀爬能力的微型机器人由于其微小的身躯,可以代替人类进入复杂、非结构化环境中执行特殊任务,在探测、生医等方面有着巨大应用价值。由软材料组成的类肌肉软驱动器可以为机器人提供极佳的灵活性、适应性和机械鲁棒性,相应的微型软体攀爬机器人也得到了研究者的广泛关注。然而,如何实现微型软体攀爬机器人在多种形貌表面上攀爬,甚至在两种不同表面之间过渡,仍然存在巨大挑战。

  在本研究中,课题组基于液晶弹性体的定制化驱动应变设计策略和屈曲组装方法,开发了一系列具有可定制三维变形能力的小尺度电热驱动器,其具有丰富的三维构型和多样的驱动变形能力。与现有的电驱动三维驱动器相比,该类驱动器在毫米尺度(从1毫米到10毫米)可实现复杂的变形效果以及最大的弯曲变形角度。此外,该驱动器在温度作用下还具有形状可恢复以及刚度可调控的特性。

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  基于上述可定制三维驱动器制备,课题组设计了一款包含可重构静电吸附脚掌、可变形身躯和智能关节三部分的微型软体攀爬机器人。通过对机器人变形性能以及脚掌吸附性能的表征与分析,可实现机器人在圆柱面内外侧、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。

  受浮游生物水螅多种运动步态的启发,研究人员通过对可变刚度“智能关节”的控制,实现了机器人在步进、“翻筋斗”前进和翻转过渡三种运动步态之间的按需切换。最终,机器人可以在不同材质、不同粗糙度、不同形貌墙面攀爬,并在两种不同墙面之间过渡。

    张一慧介绍,“解锁”了这一新技能后,该微型软体攀爬机器人可进入一些狭窄、复杂的环境中,代替人类执行探测等作业任务。例如在飞机发动机、炼油机等复杂系统中,该机器人可以经历各类管道、齿轮等曲面结构,到达指定位置进行故障检测等任务。

    相关研究成果于近日在《美国科学院院报》以《一种基于可变形三维驱动器的可在复杂表面攀爬和过渡的微型软体机器人》为题发表。

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