武漢大學(xué)研發(fā)出一款迷你軟體機(jī)器人

這是個(gè)2厘米長(zhǎng)、0.3克重、身段柔軟靈活的小玩意兒，能指哪去哪兒、上下陡坡、負(fù)載重物、適應(yīng)各類(lèi)表面、不懼高溫嚴(yán)寒…… 近日，武漢大學(xué)的動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院、工業(yè)科學(xué)研究院薛龍建教授課題組（NISE-Lab）研制出一種可精準(zhǔn)控制方向和速度、綜合性能極佳的迷你軟體機(jī)器人Geca-Robot，預(yù)期可在廢墟狹縫、生物體內(nèi)完成各種復(fù)雜作業(yè)。 相關(guān)論文近日發(fā)表于材料領(lǐng)域頂尖期刊Materials Today（《今日材料》，影響因子為24.372），并被選為內(nèi)封面文章。論文題為“Bioinspired footed soft robot with unidirectional all-terrain mobility”（《具備定向全地形運(yùn)動(dòng)能力的仿生有足軟體機(jī)器人》）。論文第一作者為動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院博士生汪鑫，通訊作者為劉勝教授和薛龍建教授。該研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。

論文被選為內(nèi)封面文章 軟體機(jī)器人相較于傳統(tǒng)剛性機(jī)器人，往往具有更大的自由度和變形能力，在生產(chǎn)生活、醫(yī)療救援等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，受到科研工作者的廣泛關(guān)注。然而，小尺寸軟體機(jī)器人的足部設(shè)計(jì)卻很少被注意到，許多機(jī)器人甚至缺乏足部設(shè)計(jì)。由于沒(méi)有良好的足部設(shè)計(jì)，軟體機(jī)器人往往需要粗糙表面或具有特殊結(jié)構(gòu)的基底表面來(lái)提供前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的反作用力，運(yùn)動(dòng)過(guò)程很難精確控制。而且，在光滑、傾斜或是有水的表面等，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力可能也會(huì)受到限制。 “我們的研究靈感來(lái)源于兩種動(dòng)物，即壁虎和尺蠖。”薛龍建介紹，他的課題組長(zhǎng)期致力于仿生材料研究，他們發(fā)現(xiàn)，壁虎腳掌上的獨(dú)特剛毛結(jié)構(gòu)可以使其在各種地形上進(jìn)行穩(wěn)定快速的運(yùn)動(dòng)，這正好可以解決目前小尺寸軟體機(jī)器人對(duì)運(yùn)動(dòng)表面適應(yīng)性較差的問(wèn)題。因此，他們嘗試向機(jī)器人上引入仿壁虎腳趾剛毛的足部，讓機(jī)器人具有良好表面適應(yīng)性。

借鑒壁虎腳黏附性能和尺蠖運(yùn)動(dòng)步態(tài)設(shè)計(jì)的軟體機(jī)器人Geca-Robot 這個(gè)小家伙有著自己的“腳”和“肌肉”。它以仿壁虎剛毛的微米三棱柱陣列作為“腳”，以交替排列的透明PDMS條帶和石墨烯/PDMS復(fù)合材料（GP）條帶組成“肌肉”。步態(tài)則是借鑒了壁虎腳的取向黏附能力和尺蠖前后足交替運(yùn)動(dòng)模式。在光照（紫外到紅外光全波段均可）時(shí)，前足向前移動(dòng)，關(guān)閉光照時(shí)，后足向前移動(dòng)；交替的開(kāi)關(guān)光照則驅(qū)動(dòng)它不斷向前運(yùn)動(dòng)。

紫外到紅外全波段運(yùn)動(dòng)

上下坡運(yùn)動(dòng)

負(fù)重運(yùn)動(dòng) 別看這個(gè)叫Geca-Robot的家伙身段小，它的本領(lǐng)可不小： 仿生足部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于給它穿上了最好的“防滑跑鞋”，不管是在粗糙或是光滑平面上，均能獲得足夠的抓地力而不會(huì)打滑。 疏水的結(jié)構(gòu)可保證它在潮濕有水的表面運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，哪怕水量覆蓋住其足部，它的運(yùn)動(dòng)過(guò)程也不會(huì)受到阻礙。 仿生足部設(shè)計(jì)和仿尺蠖的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，可以使它在高達(dá)30度坡度的光滑表面穩(wěn)定停泊而不發(fā)生滑移，并可以在光照下進(jìn)行上下坡運(yùn)動(dòng)。 它可以在100 度至-20 度溫度區(qū)間的環(huán)境內(nèi)運(yùn)動(dòng)，能適應(yīng)極端溫度變化。 此外，它還是個(gè)“大力士”，可以在負(fù)載超過(guò)其自重50倍的情況下穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。 由于具有良好的表面適應(yīng)性和負(fù)載能力，而且可以被從紫外到紅外全波段的光遠(yuǎn)程控制，Geca-Robot很適合在狹窄惡劣的環(huán)境中作業(yè)。例如，可在裂紋和深坑中進(jìn)行地質(zhì)勘探，廢墟裂縫中進(jìn)行搜救和目標(biāo)定位，甚至借助可穿透皮膚的紅外光源，在具有復(fù)雜表面形貌、酸堿性、溫度和濕度的生物器官內(nèi)或血管中進(jìn)行藥物遞送或是病灶檢查，應(yīng)用潛力巨大。