【WRC • 前沿】新材料让机器人“脚”力十足

石墨烯/PDMS复合材料+硅橡胶

长2厘米，重0.3克，不仅身段灵活还能负载重物，也可以应对高温严寒等极端天气……7月6日，武汉大学动力与机械学院、工业科学研究院薛龙建教授课题组对外宣布，他们研制出一种可精准控制方向和速度、综合性能极佳的迷你软体机器人，不仅破除了以往迷你软体机器人只能在特定表面行走的瓶颈，拓宽了其作业温域和地域，还能在狭窄空间进行活动，未来有望在废墟狭缝以及生物体内完成各种复杂作业。

仿生足部复合材料：摆脱运动表面限制

薛龙建课题组研发的这款机器人是一款通过调节光强等因素来进行定向驱动的软体机器人。“它可以进入到非常狭窄的地方，这也是我们研发软体机器人的初衷。”薛龙建介绍。

目前，微型机器人的研究还不是非常成熟，常规机器人无法进入狭窄的地方。因此，薛龙建课题组决定研发软体微型机器人以解决这一问题。

课题组研究发现，问题的症结在于迷你软体机器人普遍缺乏足部设计，仅能在粗糙或者具有特殊结构的表面行走，光滑或者有水表面都限制了迷你软体机器人的行动能力。

“我们的研究灵感来源于两种动物，即壁虎和尺蠖。”薛龙建介绍说，他们凭借在仿生材料研究领域长期经验积累，尝试在机器人上引入仿壁虎脚趾刚毛的足部，这种仿生足部结构让机器人具有良好表面适应性。

“这样迷你软体机器人便有了自己的‘脚’，这也是我们这款机器人最重要的特点。”薛龙建强调，它的“脚”是由仿壁虎刚毛的微米三棱柱阵列组成，带动“脚”运动的结构由交替排列的透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)条带和石墨烯/PDMS复合材料条带组成。而步态则是借鉴了壁虎脚的取向黏附能力和尺蠖前后足交替运动模式。

此外，这款机器人依靠光照控制，通过调节光照的强度、时间等因素控制其运动。在光照时，前足向前移动；关闭光照时，后足向前移动，交替的开关光照驱动它不断向前运动。

主体材料硅橡胶：适应极端温度变化

有了“脚”的机器人，无论在粗糙还是光滑平面，都能获得足够的抓地力以保证正常行走。它的疏水功能，使机器人在有水表面也可以行走，而且即使水量覆盖住足部，运动过程也不会受到阻碍。此外，机器人的仿生足部设计和仿尺蠖的运动步态，使它可以在倾斜30度的光滑表面稳定停泊而不发生滑移，并进行上下坡运动。

这款迷你软体机器人不仅摆脱了运动表面的限制，还可以不受地域温差的限制。“我们在研发之初就考虑到我国地域辽阔、各地区温差较大的因素，所以它可以适应极端温度变化，在-20~100的气温条件下运行。”薛龙建表示。

此前很多迷你软体机器人所用材料是水凝胶。这种材料不耐高温，也不耐低温，这就导致水凝胶机器人的使用区域很有限。另外有些软体机器人能够适应寒冷气候，但到了炎热地区便不能工作，这也很大程度上限制了机器人的应用。

“为解决这一问题，我们选用了硅橡胶作为软体机器人的主体材料。”薛龙建介绍说，“硅橡胶不仅耐高温和低温，还具有耐酸碱不易腐蚀等特点，用硅橡胶制作的软体机器人不受地域限制，而且对人体无害，还能用到人体中。这是我们区别于其他机器人的优势。”

未来应用领域：适合狭窄环境作业

“这款机器人虽然小，但在装上‘脚’之后，不仅自由度得到提升，还能够负载其自身50倍的重物平稳行走。”薛龙建介绍说。

良好的表面适应性和负载能力，以及远程控制特性，使该款机器人非常适合在狭窄恶劣的环境中进行作业。比如可以在裂纹和深坑中进行地质勘探，废墟裂缝中进行搜救和目标定位，甚至借助可穿透皮肤的红外光源，在具有复杂表面形貌、酸碱性、温度和湿度的生物器官内或血管中进行药物递送或是病灶检查。

“具体来说，在地震、火灾、事故等救援中，普通机器人无法进入到狭窄区域进行探测勘察工作，这时便可以让迷你软体机器人替代完成。假如无法及时救援出被困人员，为了延缓人类身体机能的损失消耗，可以让迷你软体机器人携带食物、药品进入为被困人员提供帮助。”薛龙建表示。

此外，由于软体机器人具有较大的自由度和变形能力，在医疗领域的应用也很值得期待。薛龙建介绍：“我们正在努力将迷你软体机器人的尺寸进一步缩小，以应用于医疗领域。如让迷你机器人通过定向控制到达身体中的指定位置，将药物准确的放置于病灶点，这样不仅可以提升治疗效果还能够缓解病人的痛苦。”

（来源：中国化工报）