浅谈软体机器人的发展与应用

浅谈软体机器人的发展与应用

作者：陈施豪

来源：《数码设计》2019年第07期

摘要： 软体机器人的发展使人类在医疗研究、结构振动控制、仿生等领域有着奠定基础的重要作用。本文将详细介绍软体机器人的发展与应用。 关键词： 软体机器人;发展应用

中图分类号： ;TP242;;; 文献标识码： A;;; 文章编号： 1672-9129（2019）07-0120-02 Abstract： ;with the development of soft robot， human beings have been playing an important role in medical research， structural vibration control， bionics and other fields Determine the important role of the foundation. This paper will introduce the development and application of soft robot in detail.

Key words： ;soft robot; Development and application

我们可以看了解一下什么是软体机器人。如果把材料按照一个频谱从左到右进行一字排开的话，处于这个频谱右端的材料是刚性材料 ，到左边像水凝胶或者像我们人类的脂肪是软性材料。它们的硬度差了大概10的9次方之多。传统以刚性材料为基础的刚性机器人有着重量大、用途单容易损坏、没有办法根据具体坏境调整自身形态的能力，根据这些缺点，科学家们将视线放到了软体机器人的发展上。 1 软体机器人在发展中突出的优势

软体机器人的主要材料是柔性材料而不是传统的刚性连接器和外壳，这种材料带来的优势：可用3D打印的方法来制作从而可以节约成本与时间;可以推动新驱动方式的研发模拟人或动物肌肉运动原理;软体机器人凭借其在“软”的特点上可以更加靈活，它可以更好的适应复杂环境来完成复杂的任务，例如医疗、军事及探测领域，因此软体材料的发展可以带来更多的可能性。

2 软体材料的主要类型与应用

现有的软体材料如SMA、水凝胶、IPMC等已经趋近成熟，并推动软体机器人的发展。 橡胶——是软体机器人发展历程中使用最早且运用最广的材料。橡胶的化学成分和物质构造，令其具有了优于其他同类型材料的特点：吸附能力强、热稳定性好、化学性质稳定等。比如美国哥伦比亚大学的工程师研发了一种3D打印的合成软体肌肉。研究者使用了微泡中遍布

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乙醇的硅橡胶材料，其将弹性特性和极端体积变化属性组合在一起，而且具有易制造、低成本和对环境无污染的好处。

形状记忆合金——它是一种新型的功能性材料，加热后能够恢复原始形状，消除在低温状态下所发生的变形，具有形状记忆、超弹性和可变刚度等特性。它是4D打印的关键材料。如在工业上有实用价值的有Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe类合金。其可广泛用于电子仪器、汽车工业、医疗器械、空间技术和能源开发等领域。记忆合金在医疗上的应用最为瞩目。例如：接骨用的骨板，不但能将两段断裂的骨头固定而且能在恢复原状的过程中产生压缩力，迫使断骨结合在一起。这就是记忆合金在医疗中最广泛的应用。

IPMC——ion-exchange polymer metal composite（离子交换聚合金属材料），是一种电致变形的智能材料（离子型），具有驱动电压低（<3V）、响应速度快（在水中>10Hz）、低功耗、密度小、柔韧性好等优点。其可应用于水下机器人推进器。

凝胶——拥有独特的基于化学键或物理作用交联形成的三维网状结构。其常用作智能驱动材料应用于软体机器人外形塑造与驱动等领域。而水凝胶是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基，亲水残基与水分子结合，将水分子连接在网状内部，而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系，性质柔软，能保持一定的形状，能吸收大量的水。其可应用于仿生机器人，以做传感器、控释开关等。 2018年4月5日，浙江大学实验室里的一条“鱼”出现在著名大众科学杂志《新科学家》。全身柔软无骨，能以每秒6厘米的速度不动声色地畅游3小时，是国际上已知报道中游得最快的软体机器鱼。据悉，这条鱼有一层薄薄的“电子肌肉”，由三层材料紧密地粘合在一起，上下两层是透明的介电高弹体薄膜，中间是导电用的碳膏或水凝胶。这使人工智能在结构形态领域产生了重要影响。 瑞士有大学研究人员受日式折纸概念启发，研发出由纳米水凝胶物料制成的微形机器人，它可因应血管环境随意屈折变形，有助准确地传送药物至病人身体患处。瑞士科学家研发出水凝胶微型机器人，这次研究由洛桑和苏黎世联邦理工学院的科学家领导，研究所用的水凝胶纳米复合材料、结构紧密、而且具弹性，可以如折纸般改变造型，只要在水凝胶中加入磁性纳米粒，科研人员就可以利用电磁场或预先透过电脑程式控制，但亦可让机器人自由流动。由此可见，水凝胶十分重要。

地球上的生命都是以碳元素为基础的，而现在大部分机器人是以铁、铝等金属材料为基础的。但这只是开端，我们可以确信，在不久的未来以硅、碳等组成的有机高分子化合软体材料将会取代传统钢铁材料成为机器人领域的基本组成单位。 参考文献：

[1]《化工文摘》2001年3期 [2]材料科技前沿

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[3]《无机化学》第三版 主编：宋天佑