浙大研发可自我保护的电流体驱动软体机器人登Nature子刊

浙江大学机械工程学院的邹俊课题组在软体机器人领域取得了重要进展，他们研制出一种新型的电流体驱动系统，具有快速、大面积自修复和自我保护功能。该系统主要由柔性电流体泵、执行器、自修复液体和多功能电子皮肤层组成。这项成果被国际知名学术期刊Nature Communications报道，全部作者均来自杨华勇院士团队，唐威博士为论文第一作者，邹俊教授为论文通讯作者。这种新型的电流体驱动系统可以解决现有柔性泵存在的问题，如输出性能差、易损坏和易泄漏等，有望促进软体机器人的推广和应用。

▍研究背景

本论文是唐威博士研究课题的重要组成部分，其研究目标是开发基于电流体动力的柔性驱动技术。该技术可以通过电场直接驱动流体，具有静音、无可动部件等优点，是软体机器人驱动的重要实现手段之一。然而，柔性流体驱动系统存在易损坏、易泄漏等严重问题，阻碍了软体机器人的推广与应用。为了解决这些问题，研究团队设计了一种具有自我保护能力的电流体驱动软体机器人。

▍设计策略及高性能电流体静音泵

该机器人的工作原理是，当机器人感知到自身受到损伤时，会采取保护措施，通过快速修复实现自我保护。研究团队开发了一种柔性电流体泵，它可以通过电场驱动自修复液体，为机器人提供动力。当机器人受到损伤时，电子皮肤层可以检测到电阻的异常变化，从而意识到自身受到损坏；然后通过电子皮肤层的加热来加速愈合过程，实现机器人的自我修复。

在论文中，研究团队提出了一种新的电极对形式，称之为圆锥阵列-多孔板电极对。这种电极对可以产生更强的电场，从而实现增强EHD流动的效果。研究团队采用多材料3D打印来制造电流体泵，使用导电TPU打印泵的电极，不导电TPU打印泵的壳体和电极支撑板，进一步提高电流体泵的输出性能。实验结果表明，圆锥阵列-多孔板电极及3D打印的方法形成的高性能柔性电流体静音泵，相比于Stretchable EHD Pump（Vito Cacucciolo, Nature, 572: 516-519, 2019）系统响应速度提升120倍以上。

图1.电流体驱动软体机器人的设计策略以及高性能电流体泵的原理及3D打印

视频1. 集成型弯曲电流体驱动软体机器人系统

▍快速驱动

此外，针对现有机器人系统中包含的弯曲、扭转、收缩三种基本运动形式，研究团队设计了相应的电流体驱动软体机器人系统并进行了驱动测试。仿真与实验测试具有较好的一致性。频率测试表明：机器人系统的驱动频率可以到20 Hz以上。PID闭环控制系统的结果表明，该类机器人系统具有较好的可控性。

图2.各种运动形式的电流体驱动软体机器人的变形、频率测试及PID控制

视频2. 电流体驱动软体机器人系统的频率测试

▍自我保护及快速大面积自修复

研究团队研发了一种基于液态金属的电子皮肤层嵌入到执行器中。当机器人驱动时，电子皮肤层随之变形，皮肤层输出的电阻值发生变化。这些变化的电阻值可以被用来反映机器人的变形状态，从而实现了机器人状态的自我感知。

同时，为了解决软材料大面积自修复的挑战，研究团队制备了一种自修复液体。这种液体由电流体、甲基三乙酰氧基硅烷（methyltracetoxysilane）和二丁基二月桂酸锡（dibutyltindilaurate）合成。当这种液体暴露于空气时，它可以固化成粘接性强、可拉伸性优异的柔性膜。测试结果表明：自修复液体可以填补大面积破损，实现硅橡胶的修复。即使修复后的硅橡胶拉伸率达到700%，自修复柔性膜仍能牢固地粘接在破损处。这种方法能实现大面积的破损自修复，这是固体自修复方法目前所无法达到的。

研究团队发现温度对自修复电流体的固化时间有很大影响。当温度达到150℃时，电流体需要83秒才能固化。但是，当温度升至250℃时，固化时间缩短到仅10秒。高温度可以显著缩短自修复时间，因此研究团队将自加热作为机器人自我保护的一种措施。通过利用电子皮肤层的电阻网络，他们实现了感知与加热的集成。当机器人受损时，液体泄漏或气泡进入会导致机器人变形。这些变化可以通过电子皮肤层的电阻变化来感知。为了更好地自我保护，团队开发了一个自我判断的数学模型。该模型允许机器人评估自身状态。一旦机器人判断自己受到损害，电子皮肤层会自动从感知模式切换到自加热模式，加速自我修复过程，以确保机器人的自我保护。

图3.电流体驱动软体机器人的大面积自修复和自我保护机制

视频3. 电流体驱动软体机器人的自感知

视频4. 电流体驱动软体机器人的自我保护过程

▍功能增强和应用

通过添加电极或执行器，可以增强机器人的功能，使其能够承受更大的负载。在50克的负载下，机器人可以移动的最大距离为10毫米。而添加更多的电极之后，机器人可以承受高达330克的负载。此外，还设计了一个电流体驱动集成型抓手，可以抓住快速下落的乒乓球，表明该系统的响应速度非常快。此外，机械筛子还可以实现大小珠子的快速筛选，证明了执行器具有出色的单独/序列控制特性。最后，通过结合电子皮肤层的加热和电流体的驱动功能，研究团队开发了一种可穿戴触感、温感装置，可以为指端提供触觉和温感。这表明了电流体驱动系统在可穿戴设备中的应用潜力。

图4.电流体驱动软体机器人的功能增强及应用

视频5.电流体驱动集成型柔性抓手抓住一个快速下落的乒乓球

▍总结

(1)提出圆锥阵列-多孔板电极对结构和使用多材料3D打印的方式来设计和制造柔性电流体泵，实现了柔性电流体泵的高性能静音输出，将集成型流体驱动软体机器人的系统响应频率提升到20 Hz以上。

(2)合成了一种新型的自修复液体，兼具电驱动和优异的愈合能力，形成的自修复柔性膜粘接性强、可拉伸性优异（>1200%）并具有快速修复能力（10 s, 250 ℃），可以实现软材料的大面积快速修复。

(3)研发了一种电子皮肤层，兼具自感知和加热功能，结合电流体驱动和板载电路，实现了机器人的自我保护，该过程包括感知、损伤判断、加热、大面积修复，实现了机器人的具身智能。

https://doi.org/10.1038/s41467-023-42214-5