氣動式軟體機器人的應用領域與發展方向

李雅菲　汪霞　姚啟桂

摘 要：目前軟體機器人成為機器人研究的重點，氣動軟體機器人相較于常見的軟體機器人更柔軟、低耗能、無污染且環境適應性強、靈活度高、易于控制，是軟體機器人在未來的重要發展方向。氣動軟體機器人在生物醫學、搜救、探測、教育等領域越來越重要，并逐漸向人們的生活延伸，在服務、娛樂等方面也可見其身影。

關鍵詞：軟體機器人;氣動;柔軟;應用領域

近年來，軟體機器人一直是學術界公認為的新一代機器人最具有潛力的研究方向，將對機器人領域產生革命性影響。氣動式軟體機器人由彈性材料構成，它可利用體內氣壓變化產生氣壓差來實現自身的形態轉變和連續運動，通過變形可以兼容障礙物，適應極端環境。氣動式軟體機器人具有內在的高柔性、自適應性和自然安全的可交互性，剛度可調，可在大范圍內改變自身形狀和尺寸。不需要鐵磁或電子元件驅動，無活動部件，具有良好的柔韌性。在強輻射、強電磁、粉塵以及外力碾壓重擊等條件下擁有較好的可靠性。這使得氣動軟體機器人在軍事、醫療、救援、教育、探索等領域顯示出巨大的發展潛力[1]。

1研究現狀

隨著科技的發展，材料學、控制等學科的不斷突破，以及人們對醫療衛生、救援、野外勘測等特殊應用需求的日益增長，氣動軟體機器人早已經不僅局限于實驗室，飛速進入了多種應用領域。

1.1工業制造和醫療康復領域

軟體機器人特有的柔韌性讓人們看到了它在很多領域的發展性。J.Mckiben利用氣動人工肌肉[2]幫助小兒麻痹癥病人鍛煉手腕，主要由橡膠管和纖維編織網組成，通過向橡膠管管腔充氣，使膠管徑向膨脹，從而帶動驅動器沿軸向收縮，帶動人工肌肉。北京軟體機器人公司研發出了一種氣動軟體機械夾具，重復定位精度為0.1mm，可實現對物品精準無誤地抓放。另外還已研發出一款雙向運動的康復手外骨骼機器人[3]，每根手指有一個二自由度的直線型氣動肌肉，可抓取3kg物體。可用在自動化生產線甚至水下作業，代替潛水員做一些危險工作。

1.2探測、搜救領域

哈佛大學設計了一款四足運動機器人[4]，利用氣壓驅動材料和Pneu-Net驅動器產生大范圍柔性變形，具有很高的強度和負載能力，能在濕雪地，泥濘路面、火焰、高壓等環境下運動。斯坦福大學研發了一款軟體機器人Vine-link robot[5]，全身被薄的軟塑料包裹成管柱體，部分部件向內折疊。驅動時將內部褶皺展開，使軀體延伸并按照設定方向移動。它可以舉起100 kg的木箱，以各種蜿蜒曲折的姿態通過不同的障礙物，并可以抵御火焰的高溫。

德克薩斯大學達拉斯分校的研究人員研發了一種仿生水母軟體機器人。該機器人的主要運動機制是通過向機器人下方噴射流體產生反作用力，推動其在水中運動，哈佛大學在此基礎上進行改進，使用新型柔性氣動復合執行器架構，可獲得較大的瞬時推力，實現垂直方向上的快速游動。該氣動軟體機器人實現具備一定載荷的快速垂直游動，未來或可用于水下快速救援、資源勘探、水下地形勘測等方面。

1.3臨床醫學領域

哈佛大學將充氣式軟體機器人應用到了醫學領域，將軟體機器人制成套狀結構，放置在心臟周圍，持續為衰竭的心臟提供動力，該機器人不會與血液接觸，降低了血管阻塞的風險，未來或可應用于臨床維持人體心臟的跳動。人們還希望能直接將藥物送至人體內傷口或病原處，目前已在研究可用于人體腸道內窺鏡的氣動軟體機器人，減少電子內窺鏡剛性機械零件對人體腸道造成的傷害，并可對復雜腸道進行全面檢測。

2未來發展

氣動軟體機器人在強輻射、電磁場、多灰塵等惡劣環境下具有獨特優勢，柔性充氣結構被廣泛用于人們探索世界以及社會生活的進程中。航空航天應用的大型充氣展開結構設計和制備涉及的領域較多，主要包括化學材料、包裝展開技術、表面工程、工程測量、動力學以及氣動建模仿真等。氣動軟體機器人還可以與工人一起工作，在裝配行業可以高效配合人們完成分揀物體、裝配，在服務行業可以安全可靠地端茶遞水，準備食物等。在很多行業可以代替人類為企業省下勞動力。甚至在課堂上，氣動軟體機器人系統的模塊性和軟性使得它成為一個潛在的有價值的教育工具。機器人可以充當形狀顯示，動態改變形狀，作為一種高刷新率的3D打印機。充氣式軟體機器人除已應用的領域外，也將為其他領域提供思路，能夠為航天器大型化輕量化的發展目標、高效能減速器的設計、太空旅館概念的實現提供可行的技術途徑。同時， 充氣結構也用在飛艇、無人機等領域， 可在信息獲取方面發揮至關重要的作用。未來將是一個“可折疊的輕量化”時代。

參考文獻：

[1]管清華，孫健，劉彥菊等.氣動軟體機器人發展現狀與趨勢[J].中國科學：技術科學，2020，50（07）：897-934.

[2]SALISBURY J K，ROTH B.Kinematic and force analysis of articulated mechanical hands [J].Journal of Mechanical Design，1983，105（1）：287-294.

[3]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機器人驅動、建模與應用研究綜述[J]南京郵電大學學報（自然科學版）2019，39（3）：64-75.

[4]TOLLEY M T，SHEPHERD R F，MOSADEGH B，et al.A resilient，untetherrd soft robot[J].Soft Robotics，2014，1（3）：213-223.

[5]徐豐羽，孟凡昌，范保杰等.軟體機器人驅動、建模與應用研究綜述[J]南京郵電大學學報（自然科學版）2019，39（3）：64-75.

作者簡介：

李雅菲，女，生于2000年4月，漢族，山西長治人，江蘇大學本科在讀，測控技術與儀器專業

汪霞，生于1999年4月，漢族，貴州遵義人，江蘇大學本科在讀，測控技術與儀器專業

姚啟桂，生于1998年12月，漢族，貴州遵義人，海南熱帶海洋學院本科在讀，環境設計專業

基金項目：江蘇大學第18批大學生科研課題立項資助項目

項目編號：18A178

（1.江蘇大學 江蘇 鎮江212013;2.海南熱帶海洋學院 海南 三亞 572022）