5月9日消息，北卡州立大學（NCSU）尹杰教授團隊和科羅拉多州立大學（CSU）趙建國教授以及紐約市立大學（CCNY）蘇浩教授團隊合作，通過巧妙利用雙穩態間的快速跳轉（snap-through bistability），實現了可以像獵豹一樣奔騰的快速奔跑軟機器人。身長約7厘米重量約50克，其速度可達每秒2.7個身長（187.5mm/s）。同時該雙穩態機制有多方面用途，既可以實現水下軟機器人的快速游動，速度可達每秒0.8個身長（117mm/s）；又可以用于可調節抓力的軟機器人抓手（可抓取易碎的生雞蛋也可提起重達10公斤的啞鈴）。

北京時間5月9日，論文以”Leveraging elastic instabilities for amplified performance： Spine-inspired high-speed and high-force soft robots”為題發表在Science Advances上。

軟機器人通常由比人體肌肉還要柔軟的軟材料制造而成 ，通過控制其柔軟身體的變形來模仿自然界中各種軟體動物的運動，比如毛毛蟲，蛇、魚以及水母等。和剛性機器人相比，軟機器人在柔性、靈活性、以及安全性等方面都具有優勢。但是同時，柔性材料也帶來了一些天然缺陷，比如響應慢及力量小等，因此大多數軟機器人運動速度較為緩慢，介于每秒0.02至0.8個身長（自身身體長度）。自然界中蝸牛的爬行速度為每秒0.1-0.2個身長，而獵豹的速度為每秒16個身長。如何讓軟機器人也能高速跑起來成為了一個亟待解決的問題。

圖1：（a）柔性脊背軟機器人來模擬獵豹在高速運動中脊背的彎曲以及伸展。（b）雙穩態軟機器人設計圖 。（c）雙穩態能量圖。

獵豹的脊背柔軟且富有彈性，通過拉伸背部肌肉來控制脊背的快速彎曲以及伸長，來實現高速奔跑（圖1a）。受此啟發，研究團隊設計了柔性脊背軟機器人（圖1b），脊背的變形由軟“身體”-氣動軟驅動器-來驅動。該驅動器有上下兩層氣道，在充氣加壓后可以雙向彎曲，從而帶動脊背的上下彎曲變形。為了實現脊背的快速運動，研究團隊給脊背裝上了“肌肉”-預拉伸彈簧（圖1b）-來存儲能量，使其變身成為一個雙穩態機構（圖1c）：背部向上彎或向下彎代表兩種穩定狀態；背部變直時，為失穩狀態。當來回擺動“身體”時，“肌肉”中的能量得以儲存和快速釋放，柔性脊背在雙穩態間來回突跳，從而實現類似獵豹脊背的快速運動。團隊將此機器人命名為LEAP高性能軟機器人。

圖2：（a）類似獵豹奔騰姿態（b）單穩態無脊背軟機器人與雙穩態脊背軟機器人（LEAP）速度對比（c）LEAP軟機器人與各種機器人與動物的速度體重對比圖。（d）LEAP軟機器人爬坡

快速水下軟機器人：當給軟驅動器身后加裝一個柔性尾巴，通過左右擺動身體，可以模擬魚的游動（圖3a-3b）。以往研究表明，驅動頻率越高，軟機器人游動速度越快，在5Hz的驅動頻率下，最快速度可達0.7身長/秒（圖3c）。該研究顯示即使在低頻驅動下（比如約1.3Hz），雙穩態間的快速突跳使其速度也可高達每秒0.78個身長（圖3c）。

圖3.（a）LEAP水下軟機器人示意圖。（b）單穩態 與雙穩態軟機器人速度比較。（c）LEAP水下軟機器人與其它報道水下軟機器人速度驅動頻率對比。（d）可調節抓力機械手

變剛度機器人抓手：通過實時調節彈簧中的拉力，機械手的剛度也可以隨之改變。基于此，該團隊展示了可以實時改變抓力的機械手。機械手既可以抓取易碎的雞蛋，又可以抓取不規則形狀線圈，礦泉水，以及直接抓取啞鈴等（圖3d）。

該工作利用失穩原理來加快軟材料的響應，理論上該原理也可以推廣到其它雙穩態以及多穩態軟機構，以及更小尺度和活性材料驅動器比如液晶彈性體，水凝膠，形狀記憶聚合物和電介質彈性體等。驅動原理將不限于氣壓或水壓，可推廣至相應的外部刺激比如溫度、pH、光、電場以及磁場等自主軟機器人。

團隊簡介

該工作由北卡州立大學尹杰團隊主導，與科羅拉多州立大學（CSU）趙建國教授、紐約市立大學（CCNY）蘇浩教授以及天普大學（Temple）Andrew Spence教授團隊合作完成。通訊作者為尹杰教授。該工作第一作者是尹杰團隊的唐一超博士，其它作者有尹杰團隊博士生赤銀鼎，科羅拉多州立大學Sun Jiefeng，紐約市立大學Huang Tzu-Hao和天普大學Maghsoudi Omid。

尹杰團隊目前致力于機械超材料，軟體機器人，以及多功能界面材料的研究。

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