以流體驅動全柔性人工肌肉

浙江大學機械工程學院教授鄒俊的主攻方向是軟體機器人，2019年1月，AdvancedMaterialsTechnologies在封面刊登論文《真空驅動的軟氣動柔性扭轉執行器，賦予軟體機器人新的功能》“Vacuum‐PoweredSoftPneumaticTwistingActuatorstoEmpowerNewCapabilitiesforSoftRobots”，他是該論文的通訊作者，文中描述了一種由真空驅動的柔性扭轉執行器。

該研究的立項起因在于，傳統硬體機器人的抓手如波士頓機器狗，主要依靠機械電機關節來改變其抓取方向，而軟體機器人卻缺少類似的“柔性關節”，因此靈活性會受限。

雖然已有部分軟體機器人擁有柔性抓手，但普遍比較“死板”，比如只有物體處于特定擺放角度才能被抓手抓住，因此柔性關節設計非常有必要。

基于此，鄒俊開始投入研究，一開始他們曾提出一種剛柔結合的設計方案——在執行器的4條棱邊中，插入四根由PLA（Polylacticacid，聚乳酸）制作的傾斜桿，執行器氣室被抽成真空后，就會沿著桿的傾斜方向扭轉。

但在操作中，執行器的四根桿被意外掰斷，鄒俊索性將錯就錯，做出一個沒有桿支撐的柔性關節，結果效果反而比想象中更好。

不久后，他的最終方案成型，即用一個真空驅動的柔性扭轉執行器（ V -SPTA，Vacuum-Powered Soft PneumaticTwisting Actuators）作為軟體機器人的“柔性關節 ”。

據悉，V-SPTA完全采用柔性材料制作，擁有超長使用壽命。相比傳統氣動執行器，V-SPTA的氣室連接處非常堅強， 如下圖哪怕用針戳幾個小孔，依然能夠正常使用。

而此前的傳統氣動執行器，它們的最大缺點在于容易漏氣，在高壓氣體的作用下， 氣室連接處很容易裂開、漏氣，最終影響氣動執行器的使用壽命。

此外，V-SPTA還擁有較強的負載能力，如下圖，高度20mm為的V-SPTA，其重量僅有19g ， 但卻能驅動9kg以上的物體，經測量發現，這是其自重的473倍。

與同類全柔性線性執行器相比， V-SPTA的提重能力是它們的5倍以上。

通常來講，和人體關節一樣，機器人的關節也是一種通用運動模塊，它不僅能改變抓手方向，還能改變機械臂的彎曲方向，而柔性關節同樣具備上述功能。

故此，在驗證V-SPTA的應有功能時，鄒俊模仿硬體工業機器人，并制作一個全柔性“胳膊”。

他把兩個V-SPTA分別作為軟體機器人的機械臂關節和抓手關節，其中機械臂關節用于改變柔性機械臂的彎曲方向，抓手關節用來改變柔性抓手的抓取方向，為的是讓全柔性“胳膊”可適應被抓物體的各種擺放角度以及將物體放在不同位置。

和其他氣動執行器結合，V-SPTA可實現模仿人手擰開瓶蓋的過程。

V-SPTA還可組裝成可旋轉的柔性爬行機器人，將7個V-SPTA和3D打印零件連接起來，就可以產生一個爬行機器人，它擁有左轉、右轉、直線行走、原地旋轉等多種功能。

據鄒俊表示，此前多數柔性氣動爬行機器人要么不具備轉向能力、要么轉向速度偏慢，而上述爬行機器人采用一種全新轉向模式，可在行進過程中實現轉向和原地旋轉，轉向速度可達25.7°/s ，高于多數同類研究成果。

在第三個應用中，鄒俊把V-SPTA組裝成柔性管道機器人，該機器人可在水平管道以及豎直管道中爬行，功能上除了清理和檢測管道之外，還能在管道中運送物體。

概括來說，V-SPTA擴大了軟體機器人的能力，同時最大程度地減少了執行器設計的復雜性、并降低了制造成本。放在工廠生產線上，能起到類似關節機器手的作用，可用于擰螺絲、抓取物體等。

第二篇SCI封面論文：適用于基于柔性材料的可重構軟體機器人的高級人工造肌肉時隔不久，鄒俊在Advanced Science發表了另一篇封面論文，標題為《適用于基于柔性材料的可重構軟體機器人的高級人工造肌肉》。

該研究是對前文第一個工作的擴展，即把機器人變成類似于樂高積木的物體，借此實現想要的各種復雜運動。在第一個工作中，給軟體機器人吸氣的時候，它不僅旋轉還會收縮，沒有把運動完全分離開，等于是兩個運動的復合體。

相比第一個工作，第二個工作通過模塊組合將復合運動解耦，實現了單個運動，這樣可大大豐富機器人的運動能力，因此是很大的進步。

打個比方，一個物體需要兩個配件同時存在才可運動，而現在兩個配件分開后，物體也可實現獨立運動。

同時，第二篇SCI靈感來源于很多人都熟悉的一種民間藝術——折紙，通過模仿折紙的折疊運動，鄒俊設計了一種流體驅動的全柔性人工肌肉，它可通過直線運動、旋轉運動、彎曲運動，去實現所有的運動。

因為任何運動都由直線、彎曲、旋轉這些基本的運動組合而成。這樣的話，機器人的使用場景會更精細。打個比方，電風扇就只需要旋轉運動，而不需要直線運動。

具體研究中，鄒俊通過使用剛性連接和柔性軟連接兩種連接方法，設計出快速連接的人工造肌肉，這種人造工肌肉可重新配置成各種軟體機器人，通過一個關節，即可實現直線運動和旋轉運動，并且通過不同組合還可實現復雜運動，從而實現模塊化機器人的概念。

如圖所示，固定環、螺釘、螺母和剛性連接器等剛性物體，用于連接人工造肌肉的兩個底面/頂面。其中剛性螺旋連接器在可靠性、穩定性和可拆卸性上，擁有顯著優勢。

柔性軟吸盤連接器具有與人工造肌肉相同的驅動源，它可用于連接兩個人工造肌肉，從而可以在單個軟體機器人中有效集成多種功能。

其單個肌肉模塊可同時實現伸縮+扭轉的復合運動、以及彎曲+扭轉的復合運動，多模塊組合還可實現伸縮、彎曲、扭轉、徑向運動等。

這些軟體“積木”可組裝成各種各樣的軟體機器人， 如四足爬行機器人、柔性抓手、管道機器人、柔性手腕等，最終實現了“積木”型軟體機器人。

據悉，這類機器人制作簡單，成本也比較低，還可根據需要完成的任務將模塊化單元重新配置為一組，和針對大型特定任務的整體式機器人，擁有一樣的效果。

同時，這種折紙設計還有助于基于柔性材料的機器人的應用，并在由各種柔性材料如水凝膠、電活性聚合物，液態金屬等制成的軟體機器人中具有廣闊的應用前景。

這項研究還被鄒俊和學生帶到2019年哈爾濱工業大學舉辦的“HRG博實杯”第一屆中國研究生機器人創新設計大賽上。

大賽共有來自220家高校的1311支隊伍參加，四位同學參賽的作品《可重組的多功能人工肌肉》最終獲得全國總決賽一等獎，同時也是當時浙江大學參賽隊伍中唯一獲得一等獎的團隊。

論外觀，鄒俊課題組的機器人未必“顏值最佳”，在柔性機器人方面，過去沒有人系統地、給其做類似樂高積木的工作。仍以樂高積木為例，由于它是硬性物體，因此可實現各種模型， 而多數軟體機器人很難實現。

談及未來，鄒俊表示目前模塊化軟體機器人方向的研究越來越受關注，并且取得一定的進展。但是由于現有模塊化軟體機器人只能實現簡單的配置， 完成一些簡單的任務，目前研究還處于較低的水平。

未來， 他打算探索更加先進的技術或方法來克服諸多挑戰， 以實現自主的、敏捷的、強大的以及智能的模塊化軟體機器人。