科學(xué)家發(fā)明新爬樓軟體機(jī)器人：輕盈、快速、靈活

圖源：論文截圖

在軟體機(jī)器人中展示光誘導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)，以往有研究報(bào)告了爬行和行走的運(yùn)動(dòng)，觀察到運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生大的摩擦。近日，圓柱形和多圈螺旋形軟體機(jī)器人的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)已面世，它通過(guò)采用滾動(dòng)阻力來(lái)減少摩擦，很像車(chē)輪。然而，滾動(dòng)并不是我們?cè)谌粘Ｉ钪兴?jīng)歷的爬樓梯有效策略。

于是，研究人員更進(jìn)一步，實(shí)現(xiàn)了單圈螺旋形軟體機(jī)器人的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使單位長(zhǎng)度的螺旋直徑最大化，這個(gè)因素與軟體機(jī)器人能夠克服障礙物的高度密切相關(guān)。

在單圈螺旋形的情況下，在地面上滾動(dòng)的扭轉(zhuǎn)軟體機(jī)器人只接觸到一個(gè)點(diǎn)和兩個(gè)點(diǎn)，而軟體機(jī)器人的單端能夠伸過(guò)障礙物。通過(guò)這些觀察，很明顯，單圈螺旋線將是一個(gè)有效的設(shè)計(jì)，它可以最大限度地減少滾動(dòng)阻力，同時(shí)最大限度地提高軟體機(jī)器人的高度到達(dá)率。

為了克服障礙，扭轉(zhuǎn)式軟體機(jī)器人需要在一個(gè)接觸點(diǎn)上抬起整個(gè)身體。分子工程使研究人員能夠展示階梯式攀登的扭轉(zhuǎn)式軟體機(jī)器人，以及在輕質(zhì)的身體重量（0.2毫克）內(nèi)實(shí)現(xiàn)大的每體長(zhǎng)度速度（0.15 BL/s）。

通過(guò)研究七種不同的偶氮苯基分子開(kāi)關(guān)，以對(duì)分子排列和交聯(lián)密度進(jìn)行編程，作為液態(tài)結(jié)晶聚合物。通過(guò)改變分子開(kāi)關(guān)的分子長(zhǎng)度，研究人員可以在不增加懸空鏈的情況下控制交聯(lián)密度。因此，高楊氏模量（>2 GPa）和光生應(yīng)力（>1 MPa）都能實(shí)現(xiàn)。這有助于軟體機(jī)器人保持較高的線圈高度，并使其能夠在基底上用一個(gè)接觸點(diǎn)舉起整個(gè)身體。

研究人員還優(yōu)化了粘彈性軟體機(jī)器人的溫度條件與玻璃化溫度的關(guān)系。在玻璃狀態(tài)下，軟體機(jī)器人的速度在較高的溫度下增加，因?yàn)檩^軟的材料更容易進(jìn)行形狀的重新配置。然而，在橡膠狀態(tài)下觀察到的情況恰恰相反。在太高的溫度下，軟體機(jī)器人不能產(chǎn)生足夠的應(yīng)力和消散光生的應(yīng)力，這說(shuō)明了粘彈性在聚合物基軟體機(jī)器人中的重要性。

通過(guò)這項(xiàng)研究工作，新的扭轉(zhuǎn)型軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)，可以增強(qiáng)軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)力，或高伸長(zhǎng)率的應(yīng)用潛力，還可以增強(qiáng)對(duì)光驅(qū)動(dòng)軟體機(jī)器人的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系的基本認(rèn)識(shí)。

題為L(zhǎng)ight-Fueled Climbing of Monolithic Torsional Soft Robots via Molecular Engineering的相關(guān)研究論文發(fā)表在《先進(jìn)智能系統(tǒng)》上。

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論文原文：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aisy.202100148

標(biāo)簽： 軟體機(jī)器人 爬樓