基于形狀記憶合金的軟體機器人研究綜述

徐林森, 韓 松,2*

(1.中國科學院合肥物質科學研究院， 合肥 230031； 2.中國科學技術大學， 合肥 230026)

形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)作為一種智能材料，由于其優越的性能而得到了各領域的廣泛應用。中外學者和研究機構對SMA開展了深入研究，并將其應用在汽車、生物醫療、航天及軟體機器人等領域，現重點介紹SMA在軟體機器人領域的應用。

1 SMA研究現狀

瑞典物理學家?lander于1932年首次發現了SMA中的相變特性，他發現金鎘合金在加熱時可以回復至原形態[1]。Greninger和Moradian在?lander發現SMA相變特性后的第6年，在銅鋅、銅錫合金上也觀察到了相似的現象[2]。文獻[3-4]報道了由馬氏體相的熱彈性行為控制的記憶效應的基本現象。1959年，William Buehler發現了鎳鈦合金[5]，并在3年后和Frederick Wang一起揭示了這種合金的形狀記憶效應(shape memory effect，SME)[6]，與當時其他現有SMA相比，鎳鈦合金的生產成本更低，操作更容易和安全，并且具有更好的機械性能[7]，從此以后SMA的商業使用潛力被逐漸發掘。形狀記憶合金的首次成功商業化應用是Raychem公司為F-14噴氣式戰斗機設計的管接頭[8]。形狀記憶技術于90年代正式成為形狀記憶材料領域的專業術語[9]。自此，形狀記憶合金的應用設計在汽車、航空航天、生物醫學和機器人等領域中得到了廣泛的商業應用[10-11]。迄今為止，在低頻振動和驅動控制方面，SMA致動器已經得到了較為成功的使用[12-13]。雖然SMA在各行各業中得到了認可和使用，但是其穩定性、壽命和帶寬等諸多性能依舊需要深刻研究[14]。外國眾多研究人員通過對SMA進行反復實驗，分析合金的材料成分、改進加工制造工藝來改善合金材料的特性[15]。

圖1 1990年1月—2013年6月SMA出版物和美國專利[8]Fig.1 SMA publications and US patents from January 1990 to June 2013[8]

自20世紀80年代以來，鎳鈦合金的商業應用在許多領域得到了發展，特別是在生物醫學領域，如圖1、圖2所示[8]。在汽車工程領域，SMA主要被用來設計成絲式驅動器來取代傳統的電磁驅動馬達[16]。相較于電磁驅動馬達，這種絲式驅動器具有可逆性、噪聲低、輕量化、結構簡單緊湊、成本較低等優點，因此其在汽車上得到了一定的應用，并且還有許多有待開發的潛在應用的可能，如圖3所示[17]。

自20世紀90年代以來，美國通用汽車公司一直致力于研究SMA在汽車上的使用，截至2014年，該公司已經獲得了取得了200多項與此相關的專利。并且，通用公司將SMA驅動器成功應用于第7代雪佛蘭Corvette中，該驅動器在關閉后備箱蓋的過程中起到了關鍵作用[18]。同時，通用公司在發電機、發動機艙的活動百葉窗、空氣擋板和用于緩解打開車門的自適應“把手”[8]等方面也都使用了SMA驅動技術(圖4)。

20世紀90年代，航空航天研究人員將重點放在主動和自適應結構上，以實現各種飛行條件下的變形能力和系統級優化，如美國國防高級研究計劃局的飛機“智能翼”計劃[19]，噴氣發動機智能飛機和船舶推進系統示范計劃[20]，以及其他計劃[21-24]。波音公司開發了一種帶有SMA致動器的主動鋸齒形氣動裝置，也稱為可變幾何雪佛龍，已安裝在GE90-115B噴氣發動機上(適用于波音777-300ER商用飛機)。該裝置已被證明是非常有效的，通過最大化V形偏轉來降低起飛時的噪音，并且在剩余的飛行中通過將V形偏轉最小化來提高巡航效率(圖5)[25-27]。

圖2 按年份分組的“形狀記憶合金”文章和專利數量[8]Fig.2 Number of “shape memory alloy” articles and patents by years-group[8]

1為前照燈設置；2為后視鏡設置；3為儀表板執行機構； 4為門鎖；5為皮帶拉鉤；6為制動鉗；7為減震器設置， 8為行李箱鎖；9為安全帶系統；10為內鎖；11為換擋桿； 12為氣候系統；13為機罩鎖；14為熱控開關圖3 SMA在汽車上現存以及潛在的應用[17]Fig.3 Existing and potential application of SMA in automobile[17]

圖4 通用汽車新興的SMA應用[8]Fig.4 Emerging General Motors’ SMA applications[8]

圖5 波音公司的可變幾何雪佛龍[25]Fig.5 Boeing’s variable geometry Chevron[25]

圖6 文獻[28]方案Fig.6 Scheme in ref.[28]

趙穎[28]設計了一款基于SMA的裝置，裝置通過彈簧的自身彈力來實現鎖緊功能；通過SMA絲通電縮短來完成解鎖功能，該裝置具有體小質輕，反復性強，同步性好能的優點，其全剖視圖如圖6所示。Zhang等[29]設計出一種SMA磁懸浮飛輪鎖緊機構，如圖7所示，該機構具有突出的解鎖/鎖緊性能，良好的高溫性能，抗沖擊，長壽命，高可靠性等，在空間旋轉式設備上具有較大的應用前景。圖8為熊詩輝[30]基于SMA原理設計的一款連接分離裝置，具有響應快、大載荷、低噪聲、低沖擊和低噪聲等諸多優點。

①為觸發楔塊的鎖定動作；②為沒有觸發楔塊約束時， 解鎖楔塊被壓縮的彈簧向右推動的過程圖7 文獻[29]方案Fig.7 Scheme in ref.[29]

圖8 文獻[30]方案Fig.8 Scheme in ref.[30]

2 SMA的特性研究

2.1 形狀記憶效應

當SMA在處于完全馬氏體狀態時，即溫度低于馬氏體相變結束溫度(Mf)時，對SMA施加一外載荷通從而使其發生一定程度的塑性變形，然后卸載，此時SMA存在殘余變形[31]，然后對其進行加熱處理直至溫度達到奧氏體相變結束溫度(Af)以上的時候，SMA會回復到原來的形狀，SMA的這種特性稱為形狀記憶效應[32]。

按照不同溫度下的SMA的不同形態，SME可分為：單程形狀記憶效應(one-way SME，OWSME)、雙程形狀記憶效應(two-way SME，TWSME)和全程形狀記憶效應(all-round SME，ARSME)[33]。

2.1.1 OWSME

OWSME是指在溫度Mf以下，SMA在外載荷的作用下發生一定的塑性變形，然后對其加熱到溫度Af以上，SMA則回復到原形狀，冷卻后其形狀不再改變，似乎“記住”了高溫Af的形態[34-35]。

2.1.2 TWSME

TWSME是指在溫度Mf以下SMA受力變形，加熱到溫度Af以上時回復到原始形狀，冷卻到低溫馬氏體狀態時回復到加熱前受力時的形態[36-38]。

2.1.3 ARSME

ARSME是指在溫度Mf以下SMA受力變形，加熱到溫度Af以上時回復到原始形狀，冷卻到溫度Mf以下后而回復到原始形狀的反形狀[39]。

SMA的單程、雙程和全程形狀記憶效應如圖9所示[40]。

圖9 單程、雙程和全程形狀記憶效應[40]Fig.9 OWSME, TWSME and ARSME[40]

2.2 超彈性

當溫度在Af以上時，SMA處于高溫奧氏體狀態，對此狀態下的SMA施加一外載荷，SMA將產生變形，卸載后SMA又恢復至高溫奧氏體時的形態，這種特性被稱為SMA的超彈性[41]或者偽彈性。如圖10所示，對奧氏體狀態下的SMA施加載荷，在OA階段SMA發生彈性變形，繼續施加負載，此時奧氏體向馬氏體轉變，由于應力變化不大出現一個AB平臺階段；再繼續施加載荷，馬氏體進行脫欒晶過程，逐漸變成非欒晶馬氏體，如BC階段。在卸載過程中，非欒晶馬氏體在高溫狀態不能穩定存在，進而逐漸變成奧氏體，宏觀上表現為回復原狀[42]。

2.3 電阻特性

SMA處于不同溫度下晶體結構會發生變化，而其電阻率隨之也不斷發生變化，因為相變所致的各相體積分數的改變對其電阻率有著顯著的影響。SMA的電阻率隨溫度的變化過程如圖11所示[17]。

圖10 SMA的超彈性[42]Fig.10 Superelasticity of SMA[42]

Ms為馬氏體相變開始的溫度圖11 SMA電阻特性[17]Fig.11 Characteristics of resistance[17]

分析圖11發現，在加熱或者冷卻的過程中，純奧氏體相或純馬氏體相下SMA的電阻與溫度近似呈線性關系；加熱過程中，當溫度到達奧氏體相變開始溫度(As)時，電阻率的變化率逐漸減小最后趨于0；而在馬氏體和奧氏體共存的階段，電阻率與溫度呈負相關；當溫度到達Af后，電阻率的變化率逐漸減小最后趨于0。冷卻過程中電阻率的變化趨勢與加熱過程對應的變化趨勢相反[40]。

研究SMA的電阻特性可以診斷材料的損傷程度[43]，避免由此帶來的一些損失。此外，還有學者結合SMA的電阻特性和驅動特性，設計SMA溫控開關，實現輸出行程的智能控制[44]。

3 SMA在軟體機器人領域的應用

SMA具有許多優良的性能，比如較大的回復應變、操作聲音小和生物兼容性好等，在軟體機器人領域得到廣泛的應用[45]。圖12(a)為軟體機器人GoQBot通過模仿毛毛蟲來進行滾動和爬行的運動[46]，其主要由SMA彈簧和其他彈性材料構成。GoQBot的頭部和尾部起著末端前腿和胸腿的作用，當SMA線圈被加熱時，其身體彎曲在頭部周圍產生向前的角動量，使其身體呈旋轉狀態并向前推進。Umedachi等[47]還通過使用3D打印技術開發了一種類似于毛蟲的機器人[圖12(b)]。兩個SMA線圈嵌入機器人體內，并且可以電動驅動，將兩個SMA驅動器以重疊的方式并列排列，收縮其中一個SMA線圈可產生反向波，然后彈性體將產生的力傳遞給另一部分。這兩個形狀記憶合金線圈能夠激發不同頻率、波長、相位和振幅的波，使機器人產生多種運動步態。

美國東北大學設計了一種基于SMA驅動的機器魚，如圖13所示[48]。1、2號SMA的間歇式通電拉動基板1、2雙向偏轉，進而帶動脊椎的往復運動。雖然該機器魚具有結構簡單、無噪聲和效率高等優點[49]，但是它存在著結構不緊湊、活動范圍受限的缺點。

圖12 SMA驅動的軟爬行機器人[46]Fig.12 Soft crawling robots actuated by shape memory alloys[46]

圖13 仿生機器魚[48]Fig.13 Bionic robotic fish[48]

圖14所示的仿生金槍魚尾鰭推進器是由加拿大維多利亞大學設計的[50]。SMA絲分布中央骨架兩側，表面包覆有彈性蒙皮，驅動頻率為0.5 Hz，尾鰭最大擺角為17°。該仿生金槍魚尾鰭布絲結構復雜，骨架剛度大，因此限制了其擺動幅度。由于其尺寸結構大，對驅動控制等方面的要求較高，因此很難做出完整的機器魚。

楊浩[51]基于SMA特性設計了仿生靈巧手，如圖15所示。手臂外側的SMA負責手指的伸展，內側的SMA負責手指的彎曲。動滑輪的存在使靈巧手能夠獲得更大的握力。

Seok等[52]基于SMA的特性設計了一種仿蚯蚓的軟體機器人Meshworm(圖16)?；赟MA通電收縮的原理，對不同部位的SMA絲交替通斷電形成蠕動波進而驅動Meshworm蠕動前進。

文獻[53]基于SMA的特性設計了一種能夠實現螺旋運動的軟體機器人，如圖17所示。整個設計由3個相等但獨立的單元組成，單個單元如圖18所示，每個單元由三層組成。該結構通過三維打印機制造完成，分布于上、下層的3個圓形結構由SMA彈簧連接。通過適當控制每個SMA的功率，每個單元可以實現3個自由度的運動(2個彎曲自由度，1個收縮自由度)。采用復雜的控制方法，SMA柔性機器人理論上可以實現最大9自由度的運動。

圖14 仿生金槍魚尾鰭[50]Fig.14 The tail fin of bionic tuna[50]

圖15 仿生靈巧手[51]Fig.15 The flexible bionic hand[51]

圖16 SMA 驅動原理及應用[52]Fig.16 SMA driving principle and application[52]

圖17 SMA軟體機器人設計方案[53]Fig.17 Schematic design of the SMA soft robot[53]

圖18 單個單元設計方案[53]Fig.18 Single unit design scheme[53]

圣安娜大學生物機器人研究所的工作重點是開發一種以章魚為靈感的柔軟機器人手臂，它的功能是使用硅橡膠皮膚的金屬絲網作為肌肉靜水器。在這種結構中，基于電機的電纜驅動用于縱向驅動，導致結構彎曲，橫向定位的SMA彈簧用于收縮章魚臂的橫截面，從而導致結構伸長或其他局部變形[54-57]。SMA元件作用于網格產生運動的機理以及使用該原理的機器人的結構如圖19所示[58]。

圖19(a)為由SMA元件驅動的金屬絲網的運動，金屬絲網縱向收縮，橫向膨脹；圖19(b)表示由SMA彈簧驅動的能夠進行蠕動運動的網蟲機器人[51]；圖19(c)章魚機器人的手臂，它能夠通過網格和SMA彈簧沿徑向延伸并抓取物體[56]。

Villanueva等[59]用較軟的硅膠包裹SMA設計了一種仿生水母，通過SMA變形帶動整體結構的運動，進而可以在靜水中產生足夠的推力來推動水母前進，其結構如圖20所示[60]。

圖19 SMA的作用機理及軟體機器人的結構[58]Fig.19 The mechanism of SMA and the structure of soft robot[58]

圖20 SMA仿生水母[60]Fig.20 SMA Bionic jellyfish[60]

Tian等[61]基于SMA的驅動原理共同研發了具有多種運動形式的軟體機器人，可實現滾動、Ω爬行以及運動形式的切換[62]。夏期榮等[63]通過控制4根SMA絲設計了一種柔性機器魚，并提出了一種輪詢加熱的控制方式來解決SMA的熱累積問題。

4 結論與展望

SMA的中外研究現狀、性能研究及SMA在軟體機器人領域的應用進行了文獻綜述。自瑞典物理學家?lander首次發現SMA的相變特性后，中外大量學者相繼開展了相關研究。隨著研究的深入，SMA的SME、超彈性、電阻特性逐漸被發現，基于SMA的這些特性及其操作無噪聲、生物兼容性好、回復應變大等優點，軟體機器人領域受到研究機構和學者的廣泛關注，并取得了很多的研究成果。盡管SMA在軟體機器人領域的應用前景廣闊，但是目前存在某些限制其性能和適用性的缺點。由于SMA是基于熱驅動，導致其驅動頻率低和能量效率低，未來的努力方向應該是運用更加先進的技術來解決這些挑戰，從而在軟體機器人方面取得更大的進展?；赟MA的軟體機器人在未來將會朝著高集成化、微型化、多功能化和智能化等方向發展。