[论文解读] Harnessing bistability for directional propulsion of untethered, soft robots

Tian Chen, Osama R. Bilal+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 12, 2017

Advanced Materials and MechanicsEngineering被引用 18

一句话总结

本论文提出一种完全柔软、无需系绳的游泳机器人，通过形状记忆聚合物（SMP）肌肉在环境温度变化下驱动双稳态元件，实现预编程的定向推进。该机器人能自主向前航行，在加热后运送载荷，并通过具有不同玻璃化转变温度的SMP肌肉依次触发，实现返回起点的反向运动。

ABSTRACT

In most macro-scale robotics systems , propulsion and controls are enabled through a physical tether or complex on-board electronics and batteries. A tether simplifies the design process but limits the range of motion of the robot, while on-board controls and power supplies are heavy and complicate the design process. Here we present a simple design principle for an untethered, entirely soft, swimming robot with the ability to achieve preprogrammed, directional propulsion without a battery or on-board electronics. Locomotion is achieved by employing actuators that harness the large displacements of bistable elements, triggered by surrounding temperature changes. Powered by shape memory polymer (SMP) muscles, the bistable elements in turn actuates the robot's fins. Our robots are fabricated entirely using a commercially available 3D printer with no post-processing. As a proof-of-concept, we demonstrate the ability to program a vessel, which can autonomously deliver a cargo and navigate back to the deployment point.

研究动机与目标

• 开发一种无需系绳、完全柔软的机器人，可在无机载电源或电子设备的情况下实现定向推进。
• 仅利用环境温度作为唯一驱动触发信号，实现自主导航与载荷投放。
• 通过具有不同玻璃化转变温度的SMP肌肉依次激活，实现可逆运动。
• 制造一种整体式、可3D打印的机器人，无需后续处理或复杂装配。
• 建立一种基于双稳态与形状记忆材料的可编程软体机器人设计框架。

提出的方法

• 机器人利用双稳态元件作为机械‘引擎’，通过突然失稳实现大位移。
• 使用多材料Stratasys Connex 3D打印机，将具有可调玻璃化转变温度（Tg ≈ 35°C 和 60°C）的形状记忆聚合物（SMP）肌肉进行3D打印。
• SMP肌肉与双稳态元件连接，当温度高于其Tg时，触发突然失稳，引起方向性鳍片运动并实现推进。
• 使用第二根Tg更高的SMP肌肉，实现双稳态元件状态的反转，从而实现后退运动。
• 机器人前端的形状记忆夹持器可夹持3D打印载荷，当温度超过其Tg时释放载荷。
• 采用Abaqus软件结合热-粘弹性材料模型进行有限元仿真，验证设计并预测驱动行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 完全柔软、无需系绳的机器人能否在无电池或机载电子设备的情况下实现定向推进？
• RQ2 如何利用环境温度变化在软体机器人中实现顺序驱动与运动编程？
• RQ3 单个机器人能否仅通过温度响应材料实现自主运送载荷并返回起点？
• RQ4 哪些设计原则可实现通过双稳态力学与SMP驱动实现的可逆运动？
• RQ5 仅通过材料与几何参数调节，能否在整体式3D打印结构中实现复杂、预编程的运动序列？

主要发现

• 当第一根SMP肌肉（Tg ≈ 60°C）被加热至其转变温度以上时，触发双稳态元件突然向前失稳，实现机器人自主前向推进。
• 在更高温度下（Tg ≈ 60°C），第二根SMP肌肉激活，使双稳态元件状态反转，导致机器人向后运动。
• 当温度达到Tg ≈ 35°C时，形状记忆夹持器释放载荷，实现自主投放。
• 机器人成功完成完整任务：前向运动、载荷释放并返回起点，所有结构均为单一3D打印、整体式结构。
• 有限元仿真验证了双稳态系统在热载荷下的预测驱动行为与力生成性能。
• 整个机器人（包括SMP肌肉、双稳态结构与夹持器）通过多材料3D打印一次性完成，无需后续处理。