DOI: 10.34133/research.0116

    微小型机器人能够进入空间受限的环境中执行任务，有着广阔的应用前景。目前，大多数微小型机器人采用了有缆化的供能方式，或为了去掉缆线的牵绊而采用外部物理场（如强磁场）的驱动方式。麻雀虽小，五脏俱全；要在切断缆线、摒弃外场的条件下实现微小型机器人的自主运动，就必须把能源、致动器、电路和机器人机构/结构等全部集成在微小的身体中，而研发一种强有力且对能源供给要求低的微型致动器是其中的关键。

    为此，西安交通大学陈贵敏教授团队提出了一种高瞬态功率密度的双稳态软体驱动器，借助双稳态特性完成应变能的慢速存储和快速释放，实现了电活性软材料功率密度280倍的提升，为微小型机器人的“无缆化、全集成”设计提供了新的途径。

本文选用的电活性软材料是IPMC（离子聚合物金属复合材料），IPMC的驱动电压只需要3~5V，非常有利于电池的小型化。虽然IPMC可以提供较大的形变，但功率密度低，靠其自身无法克服爬行中来自地面的摩擦、游动中流体的阻力。为此，本研究为IPMC设计了一种与其形变方向匹配的新型双稳态机构——弯扭对抗式双稳态机构，借助双稳态特性实现了应变能的慢速存储和快速释放，从而获得了IPMC平均功率密度280倍的瞬时功率密度输出，为微小型机器人提供强有力的动力来源。

弯扭对抗式双稳态机构（图1）：通过预拉伸（对应柔性梁的弯曲变形）在LET柔铰中形成一个能量壁垒；当预拉伸的LET柔铰向两侧转动时（对应柔性梁的扭转变形），弯曲变形储存的应变能释放、而扭转变形产生的应变能增长，由于释放量大于增长量，因此在两侧各产生一个能量势阱，即双稳态特性。通常，寄生运动在机构设计中要尽最大可能消除的，而本文的设计反其道而行之，刻意利用LET柔铰的寄生运动形成能量壁垒、获得双稳态特性。两片IPMC分别布置在弯扭对抗式双稳态机构的两侧，并由同一个电路供电（图2）。弯扭对抗式双稳态机构与IPMC这种独特的集成方式带来了另一个优势：单套主动元件实现两个稳态之间的往复跳转驱控。现有的大多数双稳态致动器需要两套独立的主动元件——一套用于从稳态1推到稳态2、另一套用于从稳态2拉回到稳态1。相比而言，本文提出的致动器更为简洁、更有利于小型化和集成化。

采用所设计的双稳态致动器，研发了总重量为2.7 g的三足爬行机器人（包括电池、电路板、致动器和机器人结构等），借助两个稳态下前足和后足对地支撑角变化获得交替式锚定和前伸，从而实现在不同粗糙路面的爬行。

对于蛙泳机器人，双稳态致动器的工作空间被限制在稳态1和非稳定平衡态之间，这样可以消除反向回动，并通过Miura-ori折纸启发的鳍结构将双稳态致动器输出角的进一步放大，实现了空载和负重条件下的高效游动。

[1] Nan Hu, Bo Li, Ruiyu Bai, Kai Xie, and Guimin Chen*, A torsion-bending antagonistic bistable actuator enables untethered crawling and swimming, Research, 2023, 6, Article 0116.

https://spj.science.org/doi/epdf/10.34133/research.0116

[2] Guimin Chen*, Spencer P. Magleby and Larry L. Howell, Membrane-enhanced lamina emergent torsional joints for surrogate folds, ASME Journal of Mechanical Design, 2018, 140(6): 062303.

https://doi.org/10.1115/1.4039852