近期，天津大學化工學院張雷教授課題組、機械學院陳焱教授課題組通過交叉學科的合作，利用瓊脂糖薄膜的濕度敏感特性，研究出了一種可以在恒定濕度環境下快速滾動的軟體機器人——Hydrollbot，直線運動速度達到0.714 BL/s，將恒定濕度驅動的機器人速度提高了兩個數量級，高于已報道的變濕度響應機器人，同時能夠負載自身重量的100%，并且實現了運動軌跡的編程設計，相關研究成果以“A Humidity-powered Soft Robot with Fast Rolling Locomotion”為題在線發表在 Research上 。
0
1
由環境驅動的軟體機器人能夠對環境中的光、熱、化學物質、磁場、濕度等刺激做出反應，實現特定運動與功能，是機器人領域的研究熱點之一。目前此類軟體機器人設計中一個重要挑戰是在如何在高度集成機器人本體結構、執行器和能源的同時，在無人為干預的恒定外界環境中實現快速運動以及可編程的運動軌跡。針對這一問題，本項工作基于濕度敏感的瓊脂糖薄膜材料，通過機器人結構設計克服了薄膜各向同性和隨機彎曲的問題，研究出了一種可以在恒定濕度條件下連續快速運動的軟體機器人Hydrollbot，并實現了運動軌跡的可編程設計。
0
2
作者首先對機器人的結構進行設計（圖1）。通過在薄膜兩側粘貼PET條帶克服了薄膜的隨機彎曲問題，實現了單向彎曲，并通過薄膜兩端的V形PET腳增加了機器人與基底表面的摩擦力，同時避免了機器人反向運動。
圖1 Hydrollbot的結構設計
機器人與濕度環境接觸后，在吸水產生的彎曲變形以及其自身的重力共同作用下，實現了在恒定濕度環境下連續的快速滾動（圖2）。
圖2 速度為0.714 BL/s 的Hydrollbot的運動過程
進一步，作者建立了機器人運動的理論分析模型（圖3），發現了機器人運動速度隨著薄膜長度和濕度的增加而增加，而隨著薄膜厚度和膠帶長度的增加而降低。
圖3 Hydrollbot運動的理論分析模型
基于理論模型優化后的機器人的重量僅為6.8 mg，而直線滾動速度達到0.714 BL/s，超過目前報道的所有濕度響應軟體機器人（圖4），并領先于目前大多數環境驅動的軟體機器人。此外，Hydrollbot還能夠攜帶自身重量100%的有效載荷運動（圖5）。
圖4 多種軟體機器人速度與質量的關系圖
圖5 Hydrollbot100%自重負載下的運動過程
最后，作者通過改變Hydrollbot機器人結構的幾何形狀和腳的位置調控機器人的滾動方向，通過調整PET條帶的相對位置控制薄膜的彎曲方向，實現了運動軌跡的多種簡單編程（圖6）。
圖6 四種具有不同運動軌跡的Hydrollbots
0
3
此項工作為環境驅動軟體機器人的結構設計提供了多學科交叉研究的新思路，有望推動濕度驅動軟體機器人在醫療、傳感、驅動等方面的應用。未來的研究將通過創新結構設計與多種刺激敏感的新材料相結合，實現機器人在復雜環境下的適應性、智能性與可靠性。
0
4
張雷教授現任天津大學化工學院生物化工系教授，國家自然科學基金優秀青年基金獲得者。主要研究方向包括生物化工與合成生物學、低溫保護、功能材料、海洋涂料等。在包括 Nature Biotechnology, Nature Communications, JACS, AIChE Journal， CES等期刊發表論文100多篇。
陳焱教授現任天津大學機械工程學院教授，國家自然科學基金杰出青年基金獲得者。主要研究方向包括機構運動學、折展結構、超材料等的基礎理論及其在航空航天結構、機器人、醫療微結構中的工程應用。代表性論文發表在 Science、PNAS等頂級期刊上。
- 一舉高“粽”，“粽”享天大好時光
- 包粽子、領粽子、編彩繩、制香囊...請查收端午限定活動
- 可愛到離譜！聽說天大的云竟然都是畫
- 天大這項研究成果刷新對微生物多樣性以及生命基礎物質初級代謝的認識
- 科技報國大先生
- tianda1895 -
內容來源 / 微信公號“Research科學研究”
底圖設計 / 王英文博
審核 / 王鑫 李晉馥 董玥欣
「 天 津 大 學 新 媒 體 中 心 」
投稿 & 加入我們 tjunmc2019@163.com
