【儀表網(wǎng) 儀表研發(fā)】繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人(CDCR)是重要的軟體機(jī)器人，具有結(jié)構(gòu)輕巧、安全和自由度高等特點(diǎn)，能夠基于其自身的柔性和可拉伸性產(chǎn)生大幅度彎曲、扭轉(zhuǎn)變形等動(dòng)作，因此它可在狹窄和復(fù)雜的環(huán)境中很好地工作。
 

　　目前，CDCR系統(tǒng)中常用的光纖布拉格光柵傳感器模量高、伸長率極低、缺乏粘附機(jī)制，限制了軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)且易與機(jī)器人分層，這使這種剛性的傳感器不適合集成系統(tǒng)。如何設(shè)計(jì)柔性可黏附傳感器，用于CDCR的自感知及其運(yùn)動(dòng)監(jiān)控仍是挑戰(zhàn)。
 

　　水凝膠由交聯(lián)聚合物網(wǎng)絡(luò)和大量水組成，因而和生物體具有良好的相容性，非常適用于可穿戴或可植入設(shè)備。傳統(tǒng)的水凝膠難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的拉伸，因此不能用于制造可拉伸的應(yīng)變傳感器。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團(tuán)隊(duì)研究員陳濤、副研究員高國榮，與精密運(yùn)動(dòng)機(jī)器人團(tuán)隊(duì)研究員張弛、高級(jí)工程師鄭天江等合作，基于兩個(gè)團(tuán)隊(duì)在離子導(dǎo)電凝膠領(lǐng)域(Adv. Mater, 2020, 32, 2004290；Nano Energy, 2021, 90, 106614等)與CDCR領(lǐng)域(IEEE Access, 2019, 11, 174236；Symmetry, 2019, 11, 1158等)的研究成果，運(yùn)用由離子導(dǎo)電聚丙烯酰胺/海藻酸鹽/納米粘土聚合物復(fù)合水凝膠制成的類皮膚狀水凝膠傳感器，實(shí)現(xiàn)了CDCR柔性自我感知(圖1)。
 

　　非共價(jià)交聯(lián)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的引入，使水凝膠具有良好的可拉伸性(1840%)、自粘附性(6.6 kPa粘附強(qiáng)度)及自修復(fù)性能(圖2)，同時(shí)，能夠?qū)Χ喾N形變(拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn))進(jìn)行寬范圍的敏感響應(yīng)(圖3)，將其作為類皮膚傳感器粘附在CDCR表面，CDCR能夠獲得感知運(yùn)動(dòng)的本體感覺和感知障礙物及陷阱的外感知(圖4)。進(jìn)一步仿人類的感覺系統(tǒng)，研究構(gòu)建了用于調(diào)節(jié)CDCR彎曲的閉環(huán)控制系統(tǒng)，可構(gòu)建“驅(qū)動(dòng)-傳感-反饋”指導(dǎo)后繼驅(qū)動(dòng)的閉環(huán)控制(圖5)。該研究為設(shè)計(jì)應(yīng)用于繩索驅(qū)動(dòng)的連續(xù)體軟機(jī)器人的傳感器和閉環(huán)系統(tǒng)建立了有效途徑。
 

　　相關(guān)研究成果以Cable-Driven Continuum Robot Perception Using Skin-Like Hydrogel Sensors為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng)新2025重大項(xiàng)目、寧波市自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃、中德合作國際交流項(xiàng)目及王寬誠教育基金等的支持。
 

圖1.類皮膚水凝膠傳感器用于繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人的感知
 

圖2.類皮膚水凝膠傳感器的構(gòu)建、修復(fù)與黏附等性能調(diào)控
 

圖3.類皮膚水凝膠傳感器的感知性能調(diào)控
 

圖4.繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人感知用類皮膚水凝膠傳感器
 

圖5.繩驅(qū)動(dòng)連續(xù)體機(jī)器人水凝膠傳感器感知系統(tǒng)的閉環(huán)控制