一只靈巧的“小蟲”牢牢抓住圓管，一伸一縮地向前蜿蜒。其實這種靈活的“bug”就是采用的一種模式。天津由大學研究人員左思陽和劉建斌開發的一種新的模塊化柔性驅動方法可用于人工肌肉和管道爬行機器人。這項成果于今年1月初在線發表在美國電氣和電子工程師協會的《機器人與自動化快報》上。
軟機器人因其高度的靈活性和對人體的安全性，近年來受到廣泛關注。3D打印的優勢在于可以一次性形成復雜的形狀和結構，無需后續處理。打印無裝配結構是3D打印技術在制造柔性機器人中的典型應用。
左思陽、劉建斌課題組提出了一種基于膜缸的新型模塊化柔性驅動方法，可以根據具體應用改變排列組合方式并合理安排連接方案，并將其應用于人工肌肉和管道爬行機器人。
“每個薄膜圓柱體就像人體的一塊小肌肉或者爬行動物的一個‘關節’，只是由熱塑性聚氨酯制成。”劉建斌解釋說，如果把新型膜筒結構比作一個基本的肌肉單元，根據不同的應用需求組合這些單元的連接方式，就像把肌肉單元連接起來形成一個整體肌肉，然后應用到不同的場景。
整個“肌肉”的制造過程采用3D打印技術，一次成型，省去了傳統機電設備加工制造中的裝配工序，大大降低了驅動模塊的制造成本和周期，具有低耗氣量、高動態響應、高可靠性和應用場景適應性強的特點。
基于這一思路，課題組首次提出了一種新型氣動人工肌肉，可用于驅動柔性外骨骼等人機交互設備。氣動是指以壓縮空氣為動力源，驅動機械完成伸縮或旋轉動作。與傳統的氣動人工肌肉相比，這種設計最突出的特點是不會在厚度方向膨脹，從而避免擠壓人體。
此外，課題組還提出了一種新型氣動管道爬行機器人，可應用于工業管道設施的巡檢和實時監控。管道爬行機器人采用仿生尺蠖原理，通過巧妙布置薄膜圓柱體單元之間的連接，實現機器人在管道內外壁上的爬行。柔性驅動方式的應用，使機器人能夠大范圍適應管道直徑的變化，可以應對直管、彎管、垂直管、水平管以及各種角度的管道的應用場景，機器人可以承受自身重量的80倍以上。
因為是氣動方式驅動，所以軟體機器人只能用長長的氣管尾巴工作。如果將傳感器集成到設備中，可以去掉這些氣管尾巴，使機器人更加獨立和精致。