近日，中國海洋大學與北卡羅來納州立大學合作團隊在Advanced Materials Technologies 期刊發(fā)表最新成果，研發(fā)出一種全新的壓電驅(qū)動與感知一體化軟體機器人。這款“C形雙足微型軟體機器人”不僅能高速靈活移動，還能像蜘蛛一樣通過“感知振動”識別周圍環(huán)境，實現(xiàn)驅(qū)動與感知的高度融合。
傳統(tǒng)軟體機器人雖然在柔性運動和環(huán)境適應性方面表現(xiàn)突出，但往往需要外部傳感器來感知環(huán)境，增加了系統(tǒng)復雜度、重量和能耗。新型機器人采用PVDF/銅雙層柔性壓電驅(qū)動器，結構簡單、成本低廉，體長僅11毫米、重量僅0.071克，卻能以42.8體長/秒的速度在高摩擦度表面疾馳，爬坡角度可達11°，還能攜帶3.47倍自重的負載。
更令人矚目的是，該機器人利用逆壓電效應實現(xiàn)機械波信號感知，能夠通過分析不同位置的波幅變化精準定位振源，定位誤差僅4.65毫米。這一功能讓它具備結構健康監(jiān)測、災害搜救、環(huán)境探測等應用潛力，尤其適合在狹小、危險的環(huán)境中執(zhí)行自主任務。
研究負責人表示，這一成果不僅在結構設計上實現(xiàn)了柔性驅(qū)動與感知的高度一體化，還顯著提升了軟體機器人在復雜環(huán)境下的運動性能和任務拓展能力，為下一代自主微型機器人系統(tǒng)奠定了技術基礎。
近年來，中國海洋大學與北卡州立大學聯(lián)合團隊連續(xù)突破實現(xiàn)了軟體機器人從高速運動到環(huán)境感知的跨越式發(fā)展，先后在Advanced Functional Materials、Advanced Science 和Advanced Materials Technologies 發(fā)表系列論文，構建了從高速運動到極端環(huán)境適應，再到自主感知定位的系統(tǒng)化技術路線。
第一階段：高速敏捷——螺旋結構賦能軟體機器人疾馳
DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202300516
在Advanced Functional Materials 發(fā)表的研究中，團隊提出螺旋形高速軟體機器人設計，將壓電致動器的彎曲運動高效轉(zhuǎn)化為蹬地推進，實現(xiàn)高達76 體長/秒 的前進速度，并可在不同共振頻率下實現(xiàn)正反向運動。機器人不僅能夠攜帶接近自重 15 倍的負載，還可爬坡、跨臺階，并通過柔性電路實現(xiàn)無線驅(qū)動，為高效機動軟體機器人奠定了結構基礎。
圖1：原型及工作原理。A）軟體型機器人卷成螺旋狀的照片。插圖中的電子顯微鏡圖像顯示了該機器人的橫截面，它由五層材料構成。B）附著在聚偏氟乙烯（PVDF）壓電薄膜頂部和底部電極上的兩根銀線。C）基于有限元分析，機器人上五個點在一個運動周期內(nèi)沿y方向的位置變化。插圖為每個點在一個周期內(nèi)的運動軌跡。D）在15個周期的方波信號作用下，E）中B點的垂直位移（藍線）和水平位移（紅線）。E）高速攝像機拍攝的原型機器人一個周期的運動過程。F、G）0.225秒內(nèi)機器人上3個點（A、B、C，標記見F）的水平和垂直位移。H）圖中的紅色漸變線是使用高速視頻分析應用程序?qū)C器人上一個跟蹤點所做的軌跡記錄。I）袋鼠與原型機器人的波浪狀運動路徑對比，展示了兩者的運動情況。
第二階段：環(huán)境適應——雙螺旋結構解決傾覆失效
DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202300673
隨后，團隊在Advanced Science 報道了受獵豹奔跑啟發(fā)的“雙螺旋”壓電軟體機器人。該設計利用對稱雙螺旋的特殊振動模式，使機器人在 42.8 體長/秒 高速移動的同時，即使意外傾覆也能繼續(xù)以16 體長/秒 運動，無需額外控制系統(tǒng)。機器人還展示了在復雜地形中移動、爬坡、負重和攜帶傳感器的能力，大幅提升了環(huán)境適應性和任務可靠性。
圖2： BFFSPR原型及工作機制 A）BFFSPR的3D示意圖。B）BFFSPR橫截面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。C）機器人外觀的實物照片。D）翻轉(zhuǎn)前BFFSPR的示意圖，其中局部坐標系x軸為機器人運動方向。E）BFFSPR繞俯仰角翻轉(zhuǎn)后的示意圖。F）BFFSPR繞橫滾角翻轉(zhuǎn)后的示意圖，此時x軸方向與翻轉(zhuǎn)前相同。G）連續(xù)16個運動周期內(nèi)p點的位移變化跟蹤，插圖為每個周期內(nèi)p點的位移變化跟蹤。H）一個驅(qū)動周期內(nèi)翻轉(zhuǎn)前BFFSPR的照片，運動方向為X'軸正方向。I）一個驅(qū)動周期內(nèi)繞俯仰角翻轉(zhuǎn)后BFFSPR的照片，運動方向為X'軸負方向。J）獵豹與BFFSPR運動時的特征步態(tài)對比
第三階段：自主感知——驅(qū)動與感知一體化的“蛛感”機器人
DOI：https://doi.org/10.1002/admt.202501142
在最新發(fā)表于Advanced Materials Technologies 的工作中，團隊將軟體機器人從單純運動平臺升級為“驅(qū)動-感知”一體化系統(tǒng)。新型 C 形雙足機器人利用 PVDF/銅雙層壓電驅(qū)動器，在 42.8 個體長/秒 高速運動的同時，可通過逆壓電效應像蜘蛛一樣感知機械波信號，實現(xiàn)毫米級振源定位（誤差僅 4.65 mm）。這為結構健康監(jiān)測、災害搜救和環(huán)境探測等任務開辟了新途徑。
圖3：(a)實驗裝置。(b)機器人的振動模式。（c）高速攝像機捕捉到的C形機器人的運動姿態(tài)。（d）八種不同步態(tài)的受力分析圖；P點和Q點的位移與速度。（e）P點的速度。（f）P點的位移。（g）Q點的速度。（h）Q點的位移
圖4：(a)實驗平臺。(b)機器人接收到的信號。(c)機器人定位激勵源的結果。
三篇論文從高效驅(qū)動到極端環(huán)境穩(wěn)定性再到自主感知，形成了有機遞進的科研鏈條，體現(xiàn)了該團隊在軟體機器人領域的系統(tǒng)化創(chuàng)新能力。研究負責人穆為磊表示，未來將繼續(xù)探索多模態(tài)感知、群體協(xié)作等方向，推動軟體機器人向更高自主性和應用化邁進。
該系列研究獲得國家自然科學基金、國家重點研發(fā)計劃及山東省產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項支持。
文章來源：仿生工程學會