IT之家 12 月 5 日消息，據清華大學官網消息，近日，清華大學航天航空學院張一慧教授課題組開發了具有構型可定制和剛度可主動調節能力的三維電驅動軟驅動器，并基于此設計并制備了一種多步態微型軟體機器人（體長從 6 毫米到 90 毫米，質量從 0.2 克到 3 克），其能夠在不同形貌表面（例如平面、圓柱面、波浪面、楔形槽表面和球面）攀爬，并在兩個不同表面之間過渡。

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具備攀爬能力的微型機器人由于其微小的身軀，可以代替人類進入復雜、非結構化環境中執行特殊任務，在探測、生醫等方面有著巨大應用價值。由軟材料組成的類肌肉軟驅動器可以為機器人提供極佳的靈活性、適應性和機械魯棒性，相應的微型軟體攀爬機器人也得到了研究者的廣泛關注。然而，如何實現微型軟體攀爬機器人在多種形貌表面上攀爬，甚至在兩種不同表面之間過渡，仍然存在巨大挑戰。

在該研究中，課題組基于液晶彈性體的定制化驅動應變設計策略和屈曲組裝方法，開發了一系列具有可定制三維變形能力的小尺度電熱驅動器，其具有豐富的三維構型和多樣的驅動變形能力。通過對比現有的電驅動三維驅動器（限定在非液體工作環境中），該類驅動器在毫米尺度（從 1 毫米到 10 毫米）可實現復雜的變形效果以及最大的彎曲變形角度。此外，該驅動器在溫度作用下還具有形狀可恢復以及剛度可調控的特性（圖 1）。

圖 1.微型軟體驅動器的制備方法與性能表征。A 圖為驅動器制備流程示意圖；B 圖為具備復雜變形效果的三維驅動器；C 圖為圓弧形驅動器的變形效果表征；D 圖為現有電響應驅動器的變形能力對比圖；E 圖為驅動器的剛度變化表征

基于上述可定制三維驅動器制備得到的微型軟體攀爬機器人包含可重構靜電吸附腳掌、可變形身軀和智能關節三部分。通過對機器人變形性能以及腳掌吸附性能的表征與分析，可實現機器人在圓柱面內外側、波浪面、楔形面和球面等不同形貌表面的攀爬。受浮游生物水螅多種運動步態的啟發，通過對可變剛度“智能關節”的控制，實現了機器人在步進、“翻筋斗”前進和翻轉過渡三種運動步態之間的按需切換。最終，機器人可以在不同材質、不同粗糙度、不同形貌墻面攀爬，并在兩種不同墻面之間過渡（圖 2）。

圖 2. 微型軟體攀爬機器人的設計和運動能力展示。A 圖為機器人各組成部分的分離視圖；B 圖為體長 6 毫米機器人的光學圖像；C 圖為機器人在不同材質、不同形貌墻面攀爬以及墻面之間過渡的能力展示

 張一慧介紹，“解鎖”了這一新技能后，該微型軟體攀爬機器人可進入一些狹窄、復雜的環境中，代替人類執行探測等作業任務。例如在飛機發動機、煉油機等復雜系統中，該機器人可以經歷各類管道、齒輪等曲面結構，到達指定位置進行故障檢測等任務。

IT之家了解到，相關研究成果于 11 月 28 日在《美國科學院院報》（PNAS）以“一種基于可變形三維驅動器的可在復雜表面攀爬和過渡的微型軟體機器人”（A soft microrobot with highly deformable 3D actuators for climbing and transitioning complex surfaces）為題發表。