機(jī)器人發(fā)展初期多是由連桿、電機(jī)和編碼器等剛性元件構(gòu)成，相關(guān)研究集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制上。近期，智能材料的不斷突破為機(jī)器人的研究開(kāi)辟了一條新的道路。不像鋼鐵等“沒(méi)有靈魂”的材料，智能材料具有一定的“生命”，他們會(huì)對(duì)電、熱、磁、光等外界信號(hào)的刺激作出響應(yīng)，從而身體會(huì)變形，產(chǎn)生彎曲、伸長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。并且很多智能材料的電阻、電容、磁性和光導(dǎo)效應(yīng)等在變形或者受到外力時(shí)會(huì)發(fā)生改變，具有天生的傳感能力。將智能材料用于機(jī)器人中，可以使機(jī)器人本體具有一定的智能驅(qū)動(dòng)和傳感能力，在不需要控制信號(hào)的情況下，就可以自主地運(yùn)動(dòng)，使身體“活”起來(lái)，并且可以憑借傳感“記錄”自己身體的變形和受到的外界力等信息。

在清華大學(xué)孫富春教授的指導(dǎo)和支持下，北京科技大學(xué)副教授郝雨飛和清華大學(xué)孫富春教授團(tuán)隊(duì)方斌等成員合作對(duì)智能材料和機(jī)器人的結(jié)合與發(fā)展進(jìn)行了長(zhǎng)篇綜述分析，在機(jī)械工程學(xué)報(bào)英文版發(fā)表論文“A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robotics Applications”，從驅(qū)動(dòng)和傳感兩個(gè)方面對(duì)各類智能材料在機(jī)器人中的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)地介紹。

1、智能驅(qū)動(dòng)

1.1 電驅(qū)動(dòng)材料

電驅(qū)動(dòng)材料是在電場(chǎng)的作用下可以產(chǎn)生形變的材料。在電驅(qū)動(dòng)材料中，應(yīng)用比較廣泛和成熟的是介電彈性體（Dielectricelastomer，DE）。如圖1所示，DE一般由兩層柔性電極層和一層介電層組成，介電層夾在電極層中間。在沒(méi)有電壓的時(shí)候，介電層不會(huì)變形。當(dāng)施加高電壓（一般為數(shù)千伏）時(shí)，兩個(gè)電極層中間的電場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生麥克斯韋應(yīng)力，使介電層在該力的作用下會(huì)受壓變形，導(dǎo)致縱向厚度減少，橫向面積擴(kuò)大，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。

圖 1 DE工作原理

DE的這種電致擴(kuò)張效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人中作為驅(qū)動(dòng)部件。相比電機(jī)等剛性驅(qū)動(dòng)器，DE結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各種不同的運(yùn)動(dòng)。比如將圓形DE的外周固定，中間貼上磁鐵。施加電壓后它的面積膨脹會(huì)鼓起，斷開(kāi)電壓后，又會(huì)受到磁鐵的吸力恢復(fù)原形，利用這種往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以制作微流體隔膜泵。限制某一個(gè)電極層使它不能延展，會(huì)使整個(gè)DE驅(qū)動(dòng)在電場(chǎng)力的作用下彎曲，從而產(chǎn)生搖擺運(yùn)動(dòng)，利用這個(gè)特點(diǎn)，可以制作各種各樣的仿生機(jī)器人。

機(jī)器人智能AI&ROBOT，F(xiàn)esto#軟體手

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1.2 熱驅(qū)動(dòng)材料

熱驅(qū)動(dòng)材料是對(duì)溫度比較敏感的材料。當(dāng)通過(guò)電流等直接加熱或者紫外光等間接加熱方式把材料加熱到一定溫度后，材料的分子間構(gòu)成會(huì)發(fā)生改變，從而導(dǎo)致彈性模量下降或者變形收縮等。形狀記憶聚合物（Shape memory polymer， SMP）就是一種當(dāng)加熱溫度超過(guò)玻璃轉(zhuǎn)化溫度后，彈性模量急劇下降的熱響應(yīng)變剛度材料。它的彈性模量最多可以降低數(shù)百個(gè)量級(jí)，因此被廣泛用在機(jī)器人中來(lái)改變機(jī)器人的局部剛度，豐富機(jī)器人的構(gòu)型。利用溫度還可以對(duì)其進(jìn)行編程，使其具有一定的形狀記憶效應(yīng)。如將SMP部署在折紙機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)處，當(dāng)加熱后，折紙機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)從二維平面折疊到三維結(jié)構(gòu)（圖2b）。通過(guò)編程SMP，使其加熱后從彎曲狀態(tài)伸直，可以驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)構(gòu)從二維平面機(jī)構(gòu)重構(gòu)到三維機(jī)構(gòu)（圖2c）。當(dāng)編程使其加熱時(shí)彎曲，還可以制成微型抓持手，使抓持手在彎曲時(shí)包覆并抓取物體，冷卻后由于彈性模量增大，還可以保持彎曲態(tài)將物體鎖?。▓D2d）。

圖2 基于SMP的機(jī)器人

1.3 磁驅(qū)動(dòng)材料

磁驅(qū)動(dòng)材料多是將磁性粒子混入硅橡膠等軟材料的復(fù)合材料。在磁場(chǎng)的作用下，磁性粒子可以被磁化，產(chǎn)生有效的磁化曲線，而磁化曲線的方向和幅值等也是可以被改變的。當(dāng)將磁響應(yīng)材料制成的驅(qū)動(dòng)器置入磁場(chǎng)中時(shí)，空間分布的磁場(chǎng)將和磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁場(chǎng)和空間磁場(chǎng)對(duì)齊，從而產(chǎn)生扭矩，導(dǎo)致收縮、伸長(zhǎng)和彎曲等變形。通過(guò)改變驅(qū)動(dòng)信號(hào)、磁化曲線、材料的形狀和剛度等，可以設(shè)計(jì)出不同變形模態(tài)的驅(qū)動(dòng)器。由于磁場(chǎng)可以穿透大范圍的材料，并且可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，磁性驅(qū)動(dòng)器是在狹小空間下作業(yè)的理想選擇，被廣泛用在微型無(wú)拴機(jī)器人中。機(jī)器人智能AI&ROBOT，2018 #清華 #并聯(lián)機(jī)器人 #軟體手 水果#抓取

視頻號(hào)

如圖3a的仿生微型水母機(jī)器人就是采用磁性復(fù)合材料作為驅(qū)動(dòng)的，在外界震蕩磁場(chǎng)的作用下，驅(qū)動(dòng)器通過(guò)不同的擺動(dòng)策略驅(qū)動(dòng)周圍的流體產(chǎn)生不同方向的流動(dòng)，從而使機(jī)器人可以上浮、下潛等。通過(guò)磁場(chǎng)控制復(fù)雜的磁化曲線，還可以實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人在不同的液體和固體地形之間切換的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，使其在液體的內(nèi)部和表面游動(dòng)，攀爬站臺(tái)，在堅(jiān)固的表面上滾動(dòng)和行走，越過(guò)障礙物以及在狹窄的隧道內(nèi)爬行等（圖3b）。磁響應(yīng)材料的制備最重要的是對(duì)磁性粒子的磁化和編程，一般是將復(fù)合材料置于磁場(chǎng)中來(lái)磁化磁性粒子。更為新穎的方法是通過(guò)3D打印來(lái)實(shí)現(xiàn)。如圖3c所示，在打印噴嘴的周圍布置固定磁場(chǎng)或者電磁場(chǎng)，當(dāng)打印帶有鐵磁粒子的復(fù)合油墨時(shí)，油墨經(jīng)過(guò)噴嘴時(shí)便會(huì)磁化磁性粒子，使其沿磁場(chǎng)方向布置，通過(guò)這種方式可以打印各種復(fù)雜磁化曲線的機(jī)器人，使它們?cè)诖艌?chǎng)的作用下產(chǎn)生各種復(fù)雜的特定運(yùn)動(dòng)（圖3c）。通過(guò)這種方式打印出來(lái)的連續(xù)體機(jī)器人，尺寸可以達(dá)到亞毫米級(jí)別，并且可以在磁場(chǎng)的引導(dǎo)下沿任意方向運(yùn)動(dòng)，相比線驅(qū)的或者氣動(dòng)的連續(xù)體機(jī)器人，這種磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人不但可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)，并且更加靈活，是醫(yī)療內(nèi)腔手術(shù)等狹小空間作業(yè)的機(jī)器人的一個(gè)前景方向（圖3d）。

圖3 基于磁響應(yīng)材料的機(jī)器人

1.4 光驅(qū)動(dòng)材料

與磁驅(qū)動(dòng)類似，光驅(qū)動(dòng)也具有可遠(yuǎn)程控制、響應(yīng)迅速、微小型化等特點(diǎn)。光驅(qū)動(dòng)材料通常是在硅膠、液晶彈性體等聚合物中添加對(duì)光比較敏感的填充物來(lái)形成，在光照的情況下，它們可以彎曲、收縮或者膨脹等，并且這些變形都是可逆的。改變光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度和照射時(shí)間等都可以影響這些驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)，從而對(duì)光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人編程，使它們實(shí)現(xiàn)期望的運(yùn)動(dòng)。光照也可以誘發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，從而提供能量使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。圖2-10a中的微型馬達(dá)就是利用氯氧化鉍（Bismuth oxyiodide，BiOI））作為光催化劑引發(fā)的系列氧化和還原反應(yīng)來(lái)驅(qū)動(dòng)本體自發(fā)前進(jìn)的。BiOI可以被包括藍(lán)光和綠光等系列可見(jiàn)光激活。微型馬達(dá)由兩個(gè)半球組成，一個(gè)半球外表面覆蓋金屬，另外一個(gè)半球外表面覆蓋BiOI，在可見(jiàn)光照射下，BiOI中的電子被吸引到金屬層，使負(fù)電荷在金屬層聚集，而B(niǎo)iOI半球則聚集因水被氧化而產(chǎn)生的H+離子。為了平衡金屬半球的負(fù)電荷，H+則從BiOI半球遷移到金屬半球，然后和電子發(fā)生還原反應(yīng)。H+的遷移伴隨著水分子到金屬半球的電滲透，從而推動(dòng)微型馬達(dá)前進(jìn)（圖4a）。將偶氮苯衍生物分散紅1丙烯酸酯添加到液晶網(wǎng)格（Liquid crystal network，LCN）中，形成的聚合物在水中時(shí)內(nèi)部的水分會(huì)在光熱作用下解吸，結(jié)構(gòu)消溶脹，利用這種原理可以實(shí)現(xiàn)類花朵的結(jié)構(gòu)在光照的時(shí)候自動(dòng)收攏，無(wú)光照時(shí)吸收水分溶脹自動(dòng)綻開(kāi)（圖4b）。將炭黑摻入SMP中，通過(guò)3D打印打印出的花朵經(jīng)過(guò)編程后也可以在光熱作用下使花朵遇光之后會(huì)自動(dòng)綻放（圖4c）。將光熱單丙烯酸偶氮苯衍生物摻入LCN，它們會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，然后通過(guò)異構(gòu)化作用釋放熱量，釋放的熱量會(huì)導(dǎo)致熱膨脹。通過(guò)結(jié)構(gòu)控制熱膨脹部位，可以使彎曲的結(jié)構(gòu)在光照下伸直。圖4d就是利用這種原理制作的微型搬用機(jī)器人，通過(guò)光照控制腿和手的彎曲，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)貨物的抓取、搬運(yùn)和投遞等各種復(fù)雜的任務(wù)。

圖4 基于光響應(yīng)材料的機(jī)器人

2 智能傳感

2.1 變阻傳感器

變阻傳感器可以將外界信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變化，根據(jù)電阻的基本公式R=ρL/S（R為電阻，ρ為電阻率，L為電阻的長(zhǎng)度，S為電阻的截面積）可得，當(dāng)電阻的L和S改變時(shí)，電阻值也會(huì)發(fā)生改變。因此變組傳感器的基本原理是將外界變形、受力等信息轉(zhuǎn)換成L和S的變化，進(jìn)而使電阻值發(fā)生改變。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)不同信號(hào)如拉伸變形、法向力和剪切力等的反饋，變組傳感器通常需要將不同的導(dǎo)電材料設(shè)計(jì)為不同的結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)在特定力下的特定變形來(lái)反饋信息。在各種導(dǎo)電材料中，液態(tài)合金因?yàn)槠鋵?dǎo)電性高、液態(tài)無(wú)定形等特點(diǎn)被廣泛用來(lái)制作各種變組傳感器。常用的液態(tài)合金材料主要有EGaIn和GaInstan這兩種，它們?cè)诔叵戮涂梢猿尸F(xiàn)液態(tài)。將液態(tài)合金注入到各種微流體腔道中，微流體腔道在外界刺激下的變形就會(huì)導(dǎo)致液態(tài)合金電阻的變化，從而反饋外界信號(hào)。如圖5a所示的液態(tài)合金變阻傳感器，它有三層腔道組成，下面兩層呈正交的蜿蜒蛇行，在承受x和y方向拉伸時(shí)相對(duì)應(yīng)的電阻就會(huì)增加，從而可以檢測(cè)軸向拉伸，上面一層為圓環(huán)狀，在承受法向壓縮時(shí)電阻會(huì)增加，從而可以檢測(cè)法向應(yīng)力。圖5b所示的傳感器構(gòu)型，在相互獨(dú)立的液態(tài)合金腔道上面放置一個(gè)剛性受力桿，在不同方向力的作用下，剛性桿會(huì)沿受力方向壓縮不同的腔道，從而使該腔道的電阻值發(fā)生改變，所以該傳感器可以檢測(cè)不同方向的力?；陬愃频脑?，圖5c的傳感器將液態(tài)合金腔道相互呈90°圓周布置在突起的四周，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)法向力和剪切力等功能。在法向壓縮時(shí)，所有腔道的電阻值都產(chǎn)生同等的變化，而在在剪切力作用下，一個(gè)腔道的電阻減小，對(duì)立面腔道的電阻增加，不但可以檢測(cè)檢測(cè)剪切力的大小，還可以檢測(cè)力的方向。

圖5 基于液態(tài)合金的變組傳感器

2.2 變?nèi)輦鞲衅?/p>

變?nèi)輦鞲衅魇菍⑼饨缧盘?hào)如變形和壓力等轉(zhuǎn)換成電容變化的傳感器。根據(jù)檢測(cè)信號(hào)的不同電容傳感器可以設(shè)計(jì)為各種各樣的形狀，而在機(jī)器人應(yīng)用中較為廣泛的是平行板電容器。平行板電容器的結(jié)構(gòu)一般為兩個(gè)電極板之間夾一層介電層。根據(jù)平行板電容的公式（C為電容，為絕對(duì)介電常數(shù)，為相對(duì)介電常數(shù)，S為兩個(gè)平行板之間的重疊面積，d為平行板之間的距離）可知，當(dāng)S或者d改變時(shí)，平行板的電容也會(huì)隨著改變，因此這類傳感器的設(shè)計(jì)原理是通過(guò)被檢測(cè)信號(hào)改變S或者d，從而改變電容。

利用平行板電容的原理可以實(shí)現(xiàn)單方向應(yīng)變和法向力等單維信號(hào)的反饋。圖6a的傳感器是利用變?nèi)輦鞲衅鳈z測(cè)應(yīng)變信息，通過(guò)將可延展的導(dǎo)電纖維布粘接在硅膠介電層的上下面，當(dāng)拉伸傳感器時(shí)，傳感器的面積會(huì)增加，中間硅膠介電層的厚度也會(huì)減小，從而導(dǎo)致電容增加。在法向壓力的作用下，平行板電容之間的距離減小，導(dǎo)致電容增加，因此可以用來(lái)檢測(cè)法向壓力。由于中間介電層的厚度較薄，如果采用實(shí)心的硅橡膠作為介電層的話，靈敏度和精度都比較低，因此會(huì)在這類傳感器的介電層中添加很多微結(jié)構(gòu)。與實(shí)心結(jié)構(gòu)相比，微結(jié)構(gòu)不但可以使傳感器在受到同樣壓力時(shí)位移增大，還由于結(jié)構(gòu)在壓力作用下相互擠壓，增加了等效介電常數(shù)，因此大大提高了這類傳感器的精度和靈敏度。這些微結(jié)構(gòu)中，具有代表性的是通過(guò)刻蝕硅片加工而成的金字塔結(jié)構(gòu)，單個(gè)微結(jié)構(gòu)的尺寸最大僅為6 μm。將這種微結(jié)構(gòu)夾在氧化銦錫涂層的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜電極中（Indiumtin oxide coated PET，ITO/PET），便可以制成超薄的電容傳感器，但是這類傳感器加工成本較高（圖6b）。也可以通過(guò)在硅膠中添加制孔劑來(lái)制造多孔介電層。如圖6c所示的傳感器，通過(guò)在PDMS中添加直徑可以小到2μm聚苯乙烯顆粒，等硅膠凝固后，用二甲基甲酰胺將聚苯乙烯顆粒溶掉就可以得到均勻的多孔介電層。這類工藝還可以用NH4CO3、糖等可氣化或可溶物體來(lái)作為制孔劑。通過(guò)等離子表面處理預(yù)拉伸后PDMS上表面，釋放后由于上表面和下表面恢復(fù)程度不同，也可以制成微波紋狀的介電層（圖6d）。

圖6 單維電容傳感器

2.3磁性傳感器

磁性傳感器是將外力和變形等信息轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)變化的傳感器。磁場(chǎng)傳感器一般有兩個(gè)重要部分組成：磁性物體和霍爾傳感器。磁性物體一般為永久磁鐵或者帶磁性的軟物質(zhì)等，受外力或者變形時(shí)，它們周圍的磁場(chǎng)會(huì)相應(yīng)的改變，而磁場(chǎng)的變化通過(guò)霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。如圖7a的軟體磁性皮膚，將磁性微粒子混合到硅膠中制成薄膜，在薄膜底面布置可以檢測(cè)磁場(chǎng)的磁力計(jì)，當(dāng)薄膜受到局部壓力時(shí)，相應(yīng)部位的磁性粒子會(huì)相互擠壓，導(dǎo)致該部位的磁場(chǎng)變化，這個(gè)傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是可以檢測(cè)連續(xù)的局部變形信息。圖7b通過(guò)將磁鐵布置在霍爾傳感器的正上方，在法向力或者剪切力的作用下，磁鐵接近或者偏離霍爾傳感器，導(dǎo)致霍爾傳感器檢測(cè)出不同的磁場(chǎng)變化，從而對(duì)力的大小和方向進(jìn)行反饋，這種傳感器可以被用作機(jī)械手的觸力覺(jué)反饋。利用同樣的原理可以這種傳感器制成陣列布置于機(jī)械手的指尖部位，從而將各個(gè)點(diǎn)的受力大小和方向映射，獲得物體的三維形狀等信息（圖7c）。除了可以檢測(cè)力的大小和方向外，磁性傳感器也可以用來(lái)檢測(cè)彎曲等變形信息。

圖7 磁性力傳感器

2.4 光導(dǎo)傳感器

光導(dǎo)傳感器是利用光信號(hào)的變化來(lái)檢測(cè)外界力和變形等信息的傳感器。光導(dǎo)傳感器一般由發(fā)射端、接受端和傳播介質(zhì)組成，發(fā)射端發(fā)出光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)過(guò)傳播介質(zhì)傳播到接受端，當(dāng)傳播介質(zhì)受到外界或者拉伸時(shí)會(huì)變形，導(dǎo)致光的折射率或者強(qiáng)度發(fā)生改變，從而可以通過(guò)接收端接收到的光信號(hào)來(lái)檢測(cè)力和變形等信息。通過(guò)傳播介質(zhì)的設(shè)計(jì)，可以使傳感器檢測(cè)不同的信號(hào)。圖8a的應(yīng)變傳感器是利用管狀模具澆筑PDMS實(shí)現(xiàn)的，由于PDMS具有很好的延展性，成型的PDMS波導(dǎo)管可以打結(jié)，也可以拉伸，當(dāng)波導(dǎo)管被拉伸時(shí)，會(huì)因折射率的改變使光信號(hào)損失，將它布置在人的喉嚨處時(shí)，可以檢測(cè)人的說(shuō)話和呼吸等信息。圖8b所示的觸覺(jué)傳感陣列是由軟材料突出物陣列、光發(fā)射器和成像系統(tǒng)組成，光由發(fā)射器照射到軟突出物中，當(dāng)不同的突出物單元在外力作用下擠壓變形時(shí)，相應(yīng)部分光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這種光強(qiáng)度變化最終通過(guò)成像系統(tǒng)映射為應(yīng)力圖。圖8c所示的壓力傳感陣列由光源、力傳感區(qū)和成像區(qū)三部分組成。力傳感區(qū)的每個(gè)單元由一根射入光纖、三根接收光纖和一個(gè)示蹤物組成，光由攝入光纖照射到示蹤物表面，然后折射到接收光纖中，示蹤物固定在彈性材料中。當(dāng)承受外力時(shí)，示蹤物的會(huì)發(fā)生位移，從而使接收光纖的光強(qiáng)度發(fā)生改變，通過(guò)三角測(cè)量原理，可以獲得外力的大小和方向。圖8d所示的傳感器由LED、可拉伸硅膠波導(dǎo)管和光電二極管組成，LED發(fā)出的光經(jīng)過(guò)波導(dǎo)管后由光電二極管接收，波導(dǎo)管被拉伸后會(huì)改變光的折射率，將波導(dǎo)管分布在氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的上、中、下三個(gè)部分，可以通過(guò)它們的延伸狀態(tài)反饋手指的變形信息，利用這個(gè)原理，制成的軟體手可以通過(guò)觸摸物體來(lái)辨別物體的形狀和紋理等信息。

圖8 光導(dǎo)傳感器 論文鏈接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s10033-022-00707-2

引用：Hao， Y.， Zhang， S.， Fang， B. et al. A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robotics Applications. Chin. J. Mech. Eng. 35， 37 （2022）。 https://doi.org/10.1186/s10033-022-00707-2