受費(fèi)曼工作（The Feynman Lectures on Physics）啟發(fā)，近日，江蘇大學(xué)徐琳教授、丁建寧教授與美國(guó)科羅拉多大學(xué)博爾德分校弗蘭克·韋爾內(nèi)瑞教授合作報(bào)告了一種基于液晶彈性體輻條的非對(duì)稱(chēng)收縮來(lái)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的費(fèi)曼軟體機(jī)器人，創(chuàng)新性地實(shí)現(xiàn)了無(wú)需控制電源周期性開(kāi)關(guān)即可進(jìn)行持續(xù)自主運(yùn)動(dòng)的電驅(qū)動(dòng)液晶彈性體軟體機(jī)器人。該研究以“Programming motion into materials using electricity-driven liquid crystal elastomer actuators”為題發(fā)表在國(guó)際著名期刊《軟體機(jī)器人》（Soft Robotics）上。江蘇大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院為該論文的第一單位，研究生朱陳和塞繆爾·拉蒙特為共同一作。
圖1. 液晶彈性體驅(qū)動(dòng)機(jī)理與Feynman軟體機(jī)器人結(jié)構(gòu)
圖2. Feynman車(chē)輪軟體機(jī)器人持續(xù)運(yùn)動(dòng)機(jī)制
Feynman車(chē)輪軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)展示
智能材料變形驅(qū)動(dòng)是集材料、力學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科的交叉前沿研究熱點(diǎn)。液晶彈性體(Liquid crystal elastomers，LCEs) 作為能夠產(chǎn)生大的可逆驅(qū)動(dòng)應(yīng)變的智能柔性彈性體材料，通過(guò)設(shè)計(jì)含有各向異性剛性介晶單元的聚合物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在外界刺激下(光、熱、電等) 使其達(dá)到相轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，引發(fā)由液晶態(tài)（有序）向各向同性態(tài)（無(wú)序）轉(zhuǎn)變的鏈段運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而表現(xiàn)為宏觀(guān)結(jié)構(gòu)程序化變形。液晶彈性體材料類(lèi)似于自然界生物體在多種外界刺激下自我調(diào)節(jié)的特性，在開(kāi)發(fā)智能仿生設(shè)備和構(gòu)建軟體機(jī)器人系統(tǒng)中擁有巨大的應(yīng)用前景?；谝壕椥泽w輻條的非對(duì)稱(chēng)收縮，可直接從穩(wěn)定的外部電源獲取能量以維持軟體機(jī)器人的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一設(shè)計(jì)理念有望啟發(fā)其他軟體機(jī)器人智能材料與智能結(jié)構(gòu)的多元集成，代表著自主運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)向前邁進(jìn)了可喜的一步。
研究還闡述了基于LCE-LM電驅(qū)動(dòng)器的一些其他有趣的應(yīng)用。如圖3所示，研究人員構(gòu)建了手掌可動(dòng)（5 mm~ 55 mm）的雙向驅(qū)控的柔性?shī)A持器，在 2 A 至 4 A 的低電流刺激下，可以精確外夾或內(nèi)撐抓取如文件夾、螺釘、燒杯和環(huán)形工件等異形物品，解決了傳統(tǒng)外夾式單向驅(qū)動(dòng)的液晶彈性體柔性?shī)A持器受其驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的制約，難以精確抓取異形環(huán)形等工件，應(yīng)用潛力受到限制的問(wèn)題。值得注意的是，夾持器可保留97%水重量下夾持吸水海綿，在柔性異形敏感物品的抓取中展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。
圖3. 用于柔性異形操縱的雙向驅(qū)控夾持器
用于柔性操縱的液晶彈性體夾持器
受控驅(qū)動(dòng)的定向運(yùn)動(dòng)是開(kāi)發(fā)能夠自主運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人的基礎(chǔ)。受果蠅幼蟲(chóng)運(yùn)動(dòng)的啟發(fā)，研究提出了可通過(guò)連續(xù)的通電和斷電循環(huán)誘導(dǎo)其定向爬行的液晶彈性體軟體機(jī)器人，軟體機(jī)器人定向移動(dòng)的原理基于足部不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)造成的各向異性摩擦，機(jī)器人柔性基底材料的表面粗糙度、硬度和幾何形狀對(duì)摩擦特性的影響機(jī)制在團(tuán)隊(duì)2022年發(fā)表的工作中已有闡述。
研究還發(fā)現(xiàn)，軟體機(jī)器人的水平運(yùn)動(dòng)可以顯示為與前足與后足之間的法向力差成正比，可以通過(guò)優(yōu)先考慮該法向力的巨大不平衡以?xún)?yōu)化機(jī)器人的幾何設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上優(yōu)化的軟體機(jī)器人自重僅1.9 g，通過(guò)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)左右“液晶彈性體肌肉”，轉(zhuǎn)向機(jī)器人在低電流的驅(qū)動(dòng)下可在平坦和傾斜的表面上實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎半徑（70~150 mm）的精準(zhǔn)控制（圖4）。
圖4. 仿生爬行軟體機(jī)器人
該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金和機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金等項(xiàng)目的支持。（機(jī)械工程學(xué)院）
文章鏈接：https://doi.org/10.1089/soro.2023.0063
