今日Science Advances: 奔跑吧软机器人

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软机器人通常由比人体肌肉还要柔软的软材料制造而成，通过控制其柔软身体的变形来模仿自然界中各种软体动物的运动，比如毛毛虫，蛇、鱼以及水母等。和刚性机器人相比，软机器人在柔性、灵活性、以及安全性等方面都具有优势。但是同时，柔性材料也带来了一些天然缺陷，比如响应慢及力量小等，因此大多数软机器人运动速度较为缓慢，介于每秒0.02至0.8个身长（自身身体长度）。自然界中蜗牛的爬行速度为每秒0.1-0.2个身长，而猎豹的速度为每秒16个身长。如何让软机器人也能高速跑起来成为了一个亟待解决的问题。
近日，北卡州立大学（NCSU）尹杰教授团队和科罗拉多州立大学（CSU）赵建国教授以及纽约市立大学（CCNY）苏浩教授团队合作，通过巧妙利用双稳态间的快速跳转（snap-through bistability），实现了可以像猎豹一样奔腾的快速奔跑软机器人（身长约7厘米重量约50克），其速度可达每秒2.7个身长（187.5mm/s）。同时该双稳态机制有多方面用途，既可以实现水下软机器人的快速游动，速度可达每秒0.8个身长（117mm/s）；又可以用于可调节抓力的软机器人抓手（可抓取易碎的生鸡蛋也可提起重达10公斤的哑铃）。
北京时间2020年5月9日，论文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”为题发表在Science Advances上。

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猎豹柔性脊背的启发

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猎豹的脊背柔软且富有弹性，通过拉伸背部肌肉来控制脊背的快速弯曲以及伸长，来实现高速奔跑（图1a）。受此启发，研究团队设计了柔性脊背软机器人（图1b），脊背的变形由软“身体”-气动软驱动器-来驱动。该驱动器有上下两层气道，在充气加压后可以双向弯曲，从而带动脊背的上下弯曲变形。为了实现脊背的快速运动，研究团队给脊背装上了“肌肉”-预拉伸弹簧（图1b）-来存储能量，使其变身成为一个双稳态机构（图1c）：背部向上弯或向下弯代表两种稳定状态；背部变直时，为失稳状态。当来回摆动“身体”时， “肌肉”中的能量得以储存和快速释放，柔性脊背在双稳态间来回突跳，从而实现类似猎豹脊背的快速运动。团队将此机器人命名为LEAP高性能软机器人。

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图1：（a）柔性脊背软机器人来模拟猎豹在高速运动中脊背的弯曲以及伸展。（b）双稳态软机器人设计图。（c）双稳态能量图。
团队研究显示双稳态机制可以让LEAP软机器人像猎豹一样（图2a），快速奔跑起来，速度可达每秒2.5个身长（174mm/s）（图2b），该速度比目前报道的最快软机器人快约3倍（图2c）。与贴地爬行的传统单稳态软机器人相比，团队显示双稳态机制具有下列独特优势：