各类智能材料在机器人中的应用

机器人发展初期多是由连杆、和等刚性元件构成，相关研究集中在结构设计、动学、动力学和控制上。近期，智能材料的不断突破为机器人的研究开辟了一条新的道路。不像钢铁等“没有灵魂”的材料，智能材料具有一定的“生命”，他们会对电、热、磁、光等外界信号的刺激作出响应，从而身体会变形，产生、伸长、扭转等运动。并且很多智能材料的、、磁性和光导效应等在变形或者受到外力时会发生改变，具有天生的传感能力。将智能材料用于机器人中，可以使机器人本体具有一定的智能驱动和传感能力，在不需要控制信号的情况下，就可以自主地运动，使身体“活”起来，并且可以凭借传感“记录”自己身体的变形和受到的外界力等信息。

在清华大学孙富春教授的指导和支持下，北京科技大学副教授郝雨飞和清华大学孙富春教授团队方斌等成员合作对智能材料和机器人的结合与发展进行了长篇综述分析，在机械工程学报英文版发表论文“A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robocs lications”，从驱动和传感两个方面对各类智能材料在机器人中的应用进行了系统地介绍。

1、智能驱动

1.1 电驱动材料

电驱动材料是在电场的作用下可以产生形变的材料。在电驱动材料中，应用比较广泛和成熟的是介电弹性体（Dielectricelastomer，DE）。如图1所示，DE一般由两层柔性电极层和一层介电层组成，介电层夹在电极层中间。在没有电压的时候，介电层不会变形。当施加高电压（一般为数千伏）时，两个电极层中间的电场会产生麦克斯韦，使介电层在该力的作用下会受压变形，导致纵向厚度减少，横向面积扩大，从而将电能转化为机械能。

图 1 DE工作原理

DE的这种电致扩张效应被广泛应用于机器人中作为驱动部件。相比电机等刚性驱动器，DE结构紧凑，操作简单，通过结构设计可以实现各种不同的运动。比如将圆形DE的外周固定，中间贴上磁铁。施加电压后它的面积膨胀会鼓起，断开电压后，又会受到磁铁的吸力恢复原形，利用这种往复运动可以制作微流体隔膜泵。限制某一个电极层使它不能延展，会使整个DE驱动在电场力的作用下弯曲，从而产生摇摆运动，利用这个特点，可以制作各种各样的仿生机器人。

机器人智能&ROBOT，Festo#软体手

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1.2 热驱动材料

热驱动材料是对温度比较敏感的材料。当通过等直接加热或者紫外光等间接加热方式把材料加热到一定温度后，材料的分子间构成会发生改变，从而导致弹性模量下降或者变形收缩等。形状记忆聚合物（Shape memory polymer， SMP）就是一种当加热温度超过玻璃转化温度后，弹性模量急剧下降的热响应变刚度材料。它的弹性模量最多可以降低数百个量级，因此被广泛用在机器人中来改变机器人的局部刚度，丰富机器人的构型。利用温度还可以对其进行编程，使其具有一定的形状记忆效应。如将SMP部署在折纸机构的关节处，当加热后，折纸机构会自动从二维平面折叠到三维结构（图2b）。通过编程SMP，使其加热后从弯曲状态伸直，可以驱动自重构机构从二维平面机构重构到三维机构（图2c）。当编程使其加热时弯曲，还可以制成微型抓持手，使抓持手在弯曲时包覆并抓取物体，冷却后由于弹性模量增大，还可以保持弯曲态将物体锁住（图2d）。

图2 基于SMP的机器人

1.3 磁驱动材料

磁驱动材料多是将磁性粒子混入硅橡胶等软材料的复合材料。在磁场的作用下，磁性粒子可以被磁化，产生有效的磁化曲线，而磁化曲线的方向和幅值等也是可以被改变的。当将磁响应材料制成的驱动器置入磁场中时，空间分布的磁场将和磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁场和空间磁场对齐，从而产生扭矩，导致收缩、伸长和弯曲等变形。通过改变驱动信号、磁化曲线、材料的形状和刚度等，可以设计出不同变形模态的驱动器。由于磁场可以穿透大范围的材料，并且可以实现无缆驱动，磁性驱动器是在狭小空间下作业的理想选择，被广泛用在微型无拴机器人中。机器人智能AI&ROBOT，2018 #清华 #并联机器人 #软体手 水果#抓取

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如图3a的仿生微型水母机器人就是采用磁性复合材料作为驱动的，在外界震荡磁场的作用下，驱动器通过不同的摆动策略驱动周围的流体产生不同方向的流动，从而使机器人可以上浮、下潜等。通过磁场控制复杂的磁化曲线，还可以实现微型机器人在不同的液体和固体地形之间切换的多模态运动，使其在液体的内部和表面游动，攀爬站台，在坚固的表面上滚动和行走，越过障碍物以及在狭窄的隧道内爬行等（图3b）。磁响应材料的制备最重要的是对磁性粒子的磁化和编程，一般是将复合材料置于磁场中来磁化磁性粒子。更为新颖的方法是通过来实现。如图3c所示，在打印喷嘴的周围布置固定磁场或者电磁场，当打印带有铁磁粒子的复合油墨时，油墨经过喷嘴时便会磁化磁性粒子，使其沿磁场方向布置，通过这种方式可以打印各种复杂磁化曲线的机器人，使它们在磁场的作用下产生各种复杂的特定运动（图3c）。通过这种方式打印出来的连续体机器人，尺寸可以达到亚毫米级别，并且可以在磁场的引导下沿任意方向运动，相比线驱的或者气动的连续体机器人，这种磁驱动机器人不但可以实现无缆驱动，并且更加灵活，是医疗内腔手术等狭小空间作业的机器人的一个前景方向（图3d）。

图3 基于磁响应材料的机器人

1.4 光驱动材料

与磁驱动类似，光驱动也具有可远程控制、响应迅速、微小型化等特点。光驱动材料通常是在硅胶、液晶弹性体等聚合物中添加对光比较敏感的填充物来形成，在光照的情况下，它们可以弯曲、收缩或者膨胀等，并且这些变形都是可逆的。改变光的波长、强度和照射时间等都可以影响这些驱动器的响应，从而对光驱动机器人编程，使它们实现期望的运动。光照也可以诱发光化学反应，从而提供能量使机器人运动。图2-10a中的微型马达就是利用氯铋（Bismuth oxyiodide，BiOI））作为光催化剂引发的系列氧化和还原反应来驱动本体自发前进的。BiOI可以被包括蓝光和绿光等系列可见光激活。微型马达由两个半球组成，一个半球外表面覆盖金属，另外一个半球外表面覆盖BiOI，在可见光照射下，BiOI中的被吸引到金属层，使负电荷在金属层聚集，而BiOI半球则聚集因水被氧化而产生的H+离子。为了平衡金属半球的负电荷，H+则从BiOI半球迁移到金属半球，然后和电子发生还原反应。H+的迁移伴随着水分子到金属半球的电渗透，从而推动微型马达前进（图4a）。将偶氮苯衍生物分散红1丙烯酸酯添加到液晶网格（Liquid crystal network，LCN）中，形成的聚合物在水中时内部的水分会在光热作用下解吸，结构消溶胀，利用这种原理可以实现类花朵的结构在光照的时候自动收拢，无光照时吸收水分溶胀自动绽开（图4b）。将炭黑掺入SMP中，通过3D打印打印出的花朵经过编程后也可以在光热作用下使花朵遇光之后会自动绽放（图4c）。将光热单丙烯酸偶氮苯衍生物掺入LCN，它们会吸收特定波长的光，然后通过异构化作用释放热量，释放的热量会导致热膨胀。通过结构控制热膨胀部位，可以使弯曲的结构在光照下伸直。图4d就是利用这种原理制作的微型搬用机器人，通过光照控制腿和手的弯曲，机器人可以实现货物的抓取、搬运和投递等各种复杂的任务。

图4 基于光响应材料的机器人

2 智能传感

2.1 变阻

变阻传感器可以将外界信号转换成电阻的变化，根据电阻的基本公式R=ρL/S（R为电阻，ρ为电阻率，L为电阻的长度，S为电阻的截面积）可得，当电阻的L和S改变时，电阻值也会发生改变。因此变组传感器的基本原理是将外界变形、受力等信息转换成L和S的变化，进而使电阻值发生改变。

为了实现对不同信号如拉伸变形、法向力和剪切力等的反馈，变组传感器通常需要将不同的导电材料设计为不同的结构，利用结构在特定力下的特定变形来反馈信息。在各种导电材料中，液态合金因为其导电性高、液态无定形等特点被广泛用来制作各种变组传感器。常用的液态合金材料主要有EGaIn和GaInstan这两种，它们在常温下就可以呈现液态。将液态合金注入到各种微流体腔道中，微流体腔道在外界刺激下的变形就会导致液态合金电阻的变化，从而反馈外界信号。如图5a所示的液态合金变阻传感器，它有三层腔道组成，下面两层呈正交的蜿蜒蛇行，在承受x和y方向拉伸时相对应的电阻就会增加，从而可以检测轴向拉伸，上面一层为圆环状，在承受法向压缩时电阻会增加，从而可以检测法向应力。图5b所示的传感器构型，在相互独立的液态合金腔道上面放置一个刚性受力杆，在不同方向力的作用下，刚性杆会沿受力方向压缩不同的腔道，从而使该腔道的电阻值发生改变，所以该传感器可以检测不同方向的力。基于类似的原理，图5c的传感器将液态合金腔道相互呈90°圆周布置在突起的四周，可以实现检测法向力和剪切力等功能。在法向压缩时，所有腔道的电阻值都产生同等的变化，而在在剪切力作用下，一个腔道的电阻减小，对立面腔道的电阻增加，不但可以检测检测剪切力的大小，还可以检测力的方向。

图5 基于液态合金的变组传感器

2.2 变容传感器

变容传感器是将外界信号如变形和压力等转换成电容变化的传感器。根据检测信号的不同电容传感器可以设计为各种各样的形状，而在机器人应用中较为广泛的是平行板电容器。平行板电容器的结构一般为两个电极板之间夹一层介电层。根据平行板电容的公式（C为电容，为绝对介电常数，为相对介电常数，S为两个平行板之间的重叠面积，d为平行板之间的距离）可知，当S或者d改变时，平行板的电容也会随着改变，因此这类传感器的设计原理是通过被检测信号改变S或者d，从而改变电容。

利用平行板电容的原理可以实现单方向应变和法向力等单维信号的反馈。图6a的传感器是利用变容传感器检测应变信息，通过将可延展的导电布粘接在硅胶介电层的上下面，当拉伸传感器时，传感器的面积会增加，中间硅胶介电层的厚度也会减小，从而导致电容增加。在法向压力的作用下，平行板电容之间的距离减小，导致电容增加，因此可以用来检测法向压力。由于中间介电层的厚度较薄，如果采用实心的硅橡胶作为介电层的话，灵敏度和精度都比较低，因此会在这类传感器的介电层中添加很多微结构。与实心结构相比，微结构不但可以使传感器在受到同样压力时位移增大，还由于结构在压力作用下相互挤压，增加了等效介电常数，因此大大提高了这类传感器的精度和灵敏度。这些微结构中，具有代表性的是通过刻蚀硅片加工而成的金字塔结构，单个微结构的尺寸最大仅为6 µm。将这种微结构夹在氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜电极中（Indiumtin oxide coated PET，ITO/PET），便可以制成超薄的电容传感器，但是这类传感器加工成本较高（图6b）。也可以通过在硅胶中添加制孔剂来制造多孔介电层。如图6c所示的传感器，通过在PDMS中添加直径可以小到2µm聚苯乙烯颗粒，等硅胶凝固后，用二甲基甲酰胺将聚苯乙烯颗粒溶掉就可以得到均匀的多孔介电层。这类工艺还可以用NH4CO3、糖等可气化或可溶物体来作为制孔剂。通过等离子预拉伸后PDMS上表面，释放后由于上表面和下表面恢复程度不同，也可以制成微波纹状的介电层（图6d）。

图6 单维电容传感器

2.3磁性传感器

磁性传感器是将外力和变形等信息转化为磁场变化的传感器。磁场传感器一般有两个重要部分组成：磁性物体和霍尔传感器。磁性物体一般为永久磁铁或者带磁性的软物质等，受外力或者变形时，它们周围的磁场会相应的改变，而磁场的变化通过霍尔传感器来进行检测。如图7a的软体磁性皮肤，将磁性微粒子混合到硅胶中制成薄膜，在薄膜底面布置可以检测磁场的磁力计，当薄膜受到局部压力时，相应部位的磁性粒子会相互挤压，导致该部位的磁场变化，这个传感器结构简单，但是可以检测连续的局部变形信息。图7b通过将磁铁布置在霍尔传感器的正上方，在法向力或者剪切力的作用下，磁铁接近或者偏离霍尔传感器，导致霍尔传感器检测出不同的磁场变化，从而对力的大小和方向进行反馈，这种传感器可以被用作机械手的触力觉反馈。利用同样的原理可以这种传感器制成阵列布置于机械手的指尖部位，从而将各个点的受力大小和方向映射，获得物体的三维形状等信息（图7c）。除了可以检测力的大小和方向外，磁性传感器也可以用来检测弯曲等变形信息。

图7 磁性力传感器

2.4 光导传感器

光导传感器是利用光信号的变化来检测外界力和变形等信息的传感器。光导传感器一般由发射端、接受端和传播介质组成，发射端发出光信号，光信号经过传播介质传播到接受端，当传播介质受到外界或者拉伸时会变形，导致光的折射率或者强度发生改变，从而可以通过接收端接收到的光信号来检测力和变形等信息。通过传播介质的设计，可以使传感器检测不同的信号。图8a的应变传感器是利用管状模具浇筑PDMS实现的，由于PDMS具有很好的延展性，成型的PDMS波导管可以打结，也可以拉伸，当波导管被拉伸时，会因折射率的改变使光信号损失，将它布置在人的喉咙处时，可以检测人的说话和呼吸等信息。图8b所示的触觉传感阵列是由软材料突出物阵列、光发射器和成像系统组成，光由发射器照射到软突出物中，当不同的突出物单元在外力作用下挤压变形时，相应部分光的强度会发生变化，这种光强度变化最终通过成像系统映射为应力图。图8c所示的压力传感阵列由光源、力传感区和成像区三部分组成。力传感区的每个单元由一根射入、三根接收光纤和一个示踪物组成，光由摄入光纤照射到示踪物表面，然后折射到接收光纤中，示踪物固定在弹性材料中。当承受外力时，示踪物的会发生位移，从而使接收光纤的光强度发生改变，通过三角原理，可以获得外力的大小和方向。图8d所示的传感器由、可拉伸硅胶波导管和光电组成，LED发出的光经过波导管后由光电二极管接收，波导管被拉伸后会改变光的折射率，将波导管分布在气动软体驱动器的上、中、下三个部分，可以通过它们的延伸状态反馈手指的变形信息，利用这个原理，制成的软体手可以通过触摸物体来辨别物体的形状和纹理等信息。

图8 光导传感器 论文链接：

https://link.springer.com/article/10.1186/s10033-022-00707-2

引用：Hao， Y.， Zhang， S.， Fang， B. et al. A Review of Smart Materials for the Boost of Soft Actuators， Soft Sensors， and Robotics Applications. Chin. J. Mech. Eng. 35， 37 （2022）。 https://doi.org/10.1186/s10033-022-00707-2