連續型機器人在城市搜救、微創手術、雜亂環境巡檢等特定場景下，具有明顯優于傳統機器人的優勢。然而，由于連續型機器人受結構剛度的均勻性和單一性問題，在變化的曲率相互作用場景中其運動往往受到限制。
那么，如何實現對連續型機器人局部剛度的調控呢？根據國內外研究，通過編程材料/結構的力學屬性，有望解決因材料均一性引起的彎曲曲率單一的問題。
然而，目前對連續型機器人局部力學屬性的調控多采用預編程形式，強烈依賴對環境的先驗信息，限制了此類機器人在復雜、多變場景中的環境共融能力。
針對這一局限性，綜合考慮張拉整體結構的結構特征，中山大學/大連理工大學/南方科技大學聯合團隊提出了一種基于低熔點合金的變剛度復合材料，進一步解決了連續型機器人局部剛度的調控問題，實現了對預編程剛度調控策略的升級改造。
近日，相關論文以《利用相變材料實現剛度可編程的仿生連續型機器人》（Bio-inspired continuum robots with programmable stiffness by harnessing phase change materials）為題，發表在Advanced Materials Technologies上。
中山大學航空航天學院博士生張捷為論文的第一作者，南方科技大學機械與能源工程系劉吉副教授、大連理工大學工程力學系彭海軍教授、中山大學航空航天學院吳嘉寧副教授為論文共同通訊作者。
圖丨相關論文（來源：Advanced Materials Technologies）
在該研究中，中山大學吳嘉寧副教授團隊貢獻了核心思想及相應的解決方案，提出了以張拉整體結構作為連續型機器人構型的機構框架，并依托大連理工大學彭海軍教授團隊的力學分析方法，證明了所提解決方案的有效性。
隨后，基于低熔點合金的相變特性，該團隊制作了一款熱驅動的可編程智能彈性元件，為解決方案的實現提供了技術支持。在該彈性元件力學特性的分析過程中，南方科技大學劉吉副教授團隊在材料領域豐富的表征經驗為本項研究提供了寶貴的建議。
在該研究中，研究團隊通過將低熔點合金（熔點：47℃）注入彈性橡膠管內，提出了一種工藝簡易、造價低廉的可編程剛度彈性元件。
由于低熔點合金在室溫情況下呈現出固體特性，該彈性元件處于剛度極大的狀態；在銅絲加熱產生的焦耳熱作用下，融化的低熔點合金使彈性元件展現出了彈性的特征，能夠產生較大的拉伸變形�；诖�，研究人員使連續型機器人內部彈性元件的主動剛度調控成為可能。
圖丨可編程彈性元件的制備過程（來源：Advanced Materials Technologies）
為了進一步探究這種彈性元件的相關性能，研究人員分別利用紅外熱成像技術、拉伸試驗裝置表征該彈性元件的溫度變化及力學特性，并證明該彈性元件的楊氏模量能夠在 1.79 和 271.62MPa 間切換。
圖丨彈性元件的力學特性（來源：Advanced Materials Technologies）
基于上述的實驗分析結果，充分證明了這種彈性元件能夠實現剛度的主動編程。隨后，研究人員以張拉整體結構模塊為例，展示了模塊在裝配這種彈性元件之后的各種變形特征。
圖丨張拉整體結構模塊的變形調控（來源：Advanced Materials Technologies）
課題組成員將 12 個張拉整體結構模塊串聯形成一個連續型機器人，并通過控制電流編程彈性元件的楊氏模量，實現了對連續型機器人局部剛度的主動調控。
圖丨可編程剛度的連續型機器人（來源：Advanced Materials Technologies）
最后，該團隊采用型材構建了一個迷宮環境，用于評估這種基于低熔點合金的剛度主動調控方案的實際應用價值。相關實驗結果表明，通過采用電流加熱彈性元件的方式，能夠實現對局部剛度的有效調控，進而使連續型機器人能夠按照預期的形態與環境交互。
圖丨可編程剛度的仿生連續體機器人在 H 型迷宮中的環境交互性能（來源：Advanced Materials Technologies）
盡管該研究已初步實現了對連續型機器人局部剛度的主動調控，但是在剛度調控的實時性方面仍需要進一步提高。
據悉，在未來的工作中，他們將進一步通過結合先進制造模式、智能材料合成等領域，賦予連續型機器人近似生物附器的精巧運動/操作能力，從而使其在面對復雜的環境需求時，能夠智能化地與環境共融交互。
參考資料：
1.Jie Zhang, Bo Wang, Haohan Chen, Jianing Bai, Zhigang Wu, Ji Liu*, Haijun Peng*, Jianing Wu* Advanced Materials Technologies（2023）. https://doi.org/10.1002/admt.202201616
