人類手臂的彎曲運(yùn)動(dòng)離不開肌肉、骨骼、本體感知器官和大腦的相互配合。具體來說，這一彎曲運(yùn)動(dòng)過程如下：首先大腦發(fā)送一個(gè)電信號(hào)通過神經(jīng)傳遞到肌肉，肌肉收縮并帶動(dòng)骨骼彎曲。同時(shí)，位于肌肉和骨骼之間的本體感受器官會(huì)感知手臂的彎曲程度信息并將其傳遞到大腦。當(dāng)手臂彎曲到一定程度時(shí)，大腦就會(huì)向肌肉發(fā)出“停止彎曲”的指令，此時(shí)肌肉停止收縮，手臂也會(huì)停止彎曲。模仿人類手臂的組成和手臂彎曲原理，可以為設(shè)計(jì)多功能軟體爬行機(jī)器人提供靈感。
最近，南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授團(tuán)隊(duì)，通過模仿人類手臂的組成和手臂的彎曲機(jī)制，開發(fā)出一種集體感、負(fù)重和多地形爬行等多種功能于一體的新型軟體爬行機(jī)器人。首先，一種被碳納米管紗線纏繞著的彈簧型尼龍6纖維作為機(jī)器人的肌肉；非對(duì)稱弓形聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作為機(jī)器人的骨骼；在PET薄膜上涂抹的石墨烯、單壁碳納米管(SWNT)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的混合物用作應(yīng)變傳感器作為機(jī)器人的軀體感受器官。其中，彈簧型肌肉能為軟體爬行機(jī)器人的爬行提供動(dòng)力，PET骨骼有利于機(jī)器人負(fù)重和爬行，應(yīng)變傳感器能感知機(jī)器人的軀體形變。同時(shí)，模仿人類手臂彎曲機(jī)制，當(dāng)給彈簧型肌肉通電加熱時(shí)，肌肉就會(huì)收縮，從而帶動(dòng)機(jī)器人軀體彎曲。此外，我們還設(shè)計(jì)了一種控制器，它能根據(jù)應(yīng)變傳感器電阻的大小來控制肌肉加熱電路的通斷，從而實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的自動(dòng)爬行。
圖1 軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理和結(jié)構(gòu)
這種新型軟體爬行機(jī)器人不但能承載其自身重量17倍的物體爬行，還能在平地，山地和水下等多種地形中爬行。這項(xiàng)研究為多功能軟體爬行機(jī)器人提供了一種新的設(shè)計(jì)策略，促進(jìn)了軟體機(jī)器人領(lǐng)域的發(fā)展。
本研究在國家自然科學(xué)基金、天津市自然科學(xué)基金和南開大學(xué)相關(guān)計(jì)劃等資助下完成，成果發(fā)表于國際權(quán)威期刊Materials Horizons上。南開大學(xué)化學(xué)學(xué)院劉遵峰教授為該文章的通訊作者，博士生劉中勝為第一作者。
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