研究背景
传统固定设计的机器人在面对多变任务时显得灵活性不足，且成本较高，可持续性差。相比之下，由可重构模块组成的机器人因其多功能性、成本效益和可持续性改进而备受瞩目。然而，现有软驱动模块在高速、高应变驱动及适应无线束操作方面仍有待提升。
文章概述
本研究团队开发了一种电驱动机器人模块，该模块结合了软硬组件的协同优势，实现了高速（峰值收缩应变率达每秒4618%，带宽15.8赫兹，峰值比功率122瓦/千克）和高应变（49%收缩）驱动。模块间通过磁铁实现可逆的机械和电气连接，为快速可重构和高灵敏度机器人系统提供了构建基础。团队详细表征了单个六边形电液模块的驱动性能，建立了描述其准静态力-行程行为的模型，并展示了高跳跃和快速管道爬行两种机器人应用。通过嵌入式磁连接，研究人员还将多个模块组合成具有不同功能的可重构机器人，如高行程肌肉、多模态主动阵列、桌面主动平台及快速滚动机器人。此外，磁连接还用于搭载无线束、即插即用驱动电子设备，进一步展现了六边形电液模块在快速构建可重构高速机器人方面的潜力。
该项研究以《Hexagonal electrohydraulic modules for rapidly reconfigurable high-speed robots》为题发表在SCIENCE ROBOTICS期刊上。
原文链接：
https://www.science.org/doi/full/10.1126/scirobotics.adl3546。
机器人运动视频：
图文导读
研究人员首先设计了一种基于软电液拉链式驱动器与刚性板结合的六边形电液模块。该模块利用刚性板将软驱动器的形状变化转化为快速、大行程的驱动。在六边形阵列的刚性板交点处安装驱动器，通过施加电压使电极间产生麦克斯韦应力，驱动液体介电质移动，从而增加液压压力，使模块顶点变形。随着电压的增加，液压压力增大，实现快速形状变化。
图1：六边形电液模块用于可重构机器人; (a) 六边形电液模块由四个软电液驱动器集成到刚性六边形外骨骼中，刚性板放大了电液驱动器产生的形状变化，实现了可控的高收缩应变和 (b) 高驱动速度; (c) 六边形电液模块在驱动时还表现出可控的横向扩展。嵌入式磁铁实现了可重构六边形电液模块之间快速、可逆的机械和电气连接，B场表示模块间及高压引线间的磁场。同一组六边形电液模块被重新配置成 (e) 高行程肌肉、(f) 滚动机器人和 (g) 多模态主动阵列。比例尺：(a)至(c)为10毫米，(d)至(g)为20毫米。
随后，研究人员分析了六边形电液模块的收缩动态响应。在特定驱动条件下，模块达到最大49%的自由收缩应变，响应时间为16毫秒上升和41毫秒下降。模块还表现出高达4618%/秒的峰值收缩应变率，且在高负载下仍能保持近600%/秒的应变率。此外，模块在正弦波驱动信号下的带宽达到15.8赫兹。
图2：六边形电液模块的动态收缩; (a) 模块在高压方波信号下表现出快速驱动（16毫秒上升时间）、高应变（49%）和快速松弛（41毫秒下降时间）。比例尺为10毫米。对具有不同负载的方波信号的驱动响应进行了进一步表征，揭示了 (b) 峰值应变率为4618%/秒和 (c) 峰值比功率为122瓦/千克。(d)和(e) 频率分析显示带宽为15.8赫兹，在17至25赫兹范围内出现次谐波驱动行为，其中驱动频率为驱动频率的一半。
为了理解设计参数对驱动性能的影响，研究人员开发了预测六边形电液模块准静态收缩力-行程曲线的模型。该模型考虑了模块的几何状态、能量贡献等因素，通过最小化自由能来计算模块的平衡行程。
图3：六边形电液模块收缩力-行程行为的建模; (a) 六边形电液模块一个象限的模型参数；每个模块由四个象限组成。(b) 参考驱动条件下的实验力-行程数据及模型预测。在施加力大于5牛顿的区域，由于未建模的按压模式（模块袋内部相互挤压）而非建模的铰接模式（模块在关节处铰接），模块的实际性能优于模型预测。(c) 不同模块宽度、(d) 最大施加电场、(e) 薄膜材料和 (f) 板长的力-行程曲线均与实验数据吻合良好。
随后，研究人员利用六边形电液模块的高速高应变驱动性能，设计了一款跳跃机器人，能跳跃超过其自身长度四倍的高度。此外，还利用模块的纵向收缩和横向扩展行为，创造了一款能在狭窄空间内爬行的机器人，其最大爬行速度达到19.9毫米/秒。
图4：由六边形电液模块驱动的机器人; (a) 由单个六边形电液模块组成的跳跃机器人在9千伏方波信号驱动下跳跃高度超过其放松高度的四倍。(b) 跳跃高度随施加电压的增加而增加。(c) 由三个六边形电液模块串联组成的机器人在受限空间内爬行，使用 (d) 六步蠕动运动模式。模块的横向扩展保持机器人位置，而线性收缩拉动后续模块向前。蓝色点表示电压关闭，红色点表示电压开启。(e)和(f) 爬行机器人在平坦空间内快速移动，最大速度达到19.9毫米/秒。(g) 在板外侧添加砂纸以增加摩擦力，实现上坡爬行。比例尺：(a)和(c)为10毫米，(e)和(g)为30毫米。
为了实现模块的可重构性，研究人员设计了磁性连接方案，使模块间能快速可逆地连接和断开。这种连接不仅提供机械连接，还提供必要的电气连接。通过组合多个模块，研究人员展示了长行程阵列和多模态主动阵列，实现了多功能驱动。
图5：具有磁性连接的可重构六边形电液模块; (a)和(b) 我们将磁铁嵌入模块的刚性板和高压引线中，以在相邻单元之间形成电气和机械连接。(c) 模块表现出与非可重构模块相似的力-行程性能，直至达到磁性连接强度（4.1牛顿）所施加的限制。(d) 我们将可重构六边形电液模块排列成高行程肌肉。(e) 我们重新排列模块，形成多模态主动阵列，该阵列可在广泛的空间范围内控制末端执行器。(f) 我们进一步将四个模块排列成桌面主动平台，该平台使用横向扩展模式。所有比例尺均为30毫米。
利用模块的磁性连接和独立控制，研究人员构建了多种可重构机器人系统，如主动平台和滚动机器人。滚动机器人通过快速改变形状和独立控制模块，实现了高达267毫米/秒的滚动速度，并能在沙地和岩石上移动。
图6：由可重构六边形电液模块组成的滚动机器人; (a)和(b) 可以轻松添加磁性附件以增加可重构六边形电液模块的应用空间。在这里，我们添加了圆形磁性附件来创建滚动机器人。(c) 机器人通过快速转移其质心进行滚动。(d) 机器人在固体表面上达到的平均平移速度为267毫米/秒，在沙地上为 (e) 250毫米/秒。(f) 每个六边形电液模块的快速驱动和保形特性使机器人能够跳跃并在岩石上滚动。比例尺：(b)为40毫米，(d)至(f)为30毫米。
为了摆脱对台式高压放大器的依赖，研究人员设计了无线束、卡扣式驱动电子设备，该设备能磁性地附着在六边形电液模块上并提供驱动信号。该设备小巧轻便，能同时驱动多个模块，为创建无线束六边形电液机器人提供了可能。
图7：无线束、卡扣式驱动电子设备（snap-supply）; (a) 六边形电液模块的磁性板为承载附加组件（如紧凑的、电池供电的驱动电子设备）提供了工作空间。(b)和(c) snap-supply具有紧凑轻便的外形尺寸，并使用现成的组件。(d) 一个snap-supply能够驱动多个六边形电液模块，其转换速率取决于驱动模块的数量。(e)和(f) snap-supply可以在模块的收缩和扩展驱动模式下驱动六边形电液模块。比例尺：(a)至(c)为10毫米，(e)和(f)为20毫米。
总结
研究人员在这项工作中提出了一种多功能且可扩展的可重构机器人模块。通过将软驱动器与刚性组件结合，六边形电液模块实现了高应变和快速驱动，其六边形外形和集成的磁性连接方案使得模块能够迅速组装成可重构机器人系统。这种设计促进了模块的多功能性，降低了成本和环境影响，并为资源或负载受限的环境提供了潜在解决方案。
六边形电液模块在与其他先进软电液驱动器相比时表现出独特的性能优势，如更高的收缩应变和更快的驱动速度。然而，单个六边形电液模块的比能量（2.3 J/kg）仍有提升空间，以构建更强大的机器人。此外，探索六边形电液模块的物理小型化可能有助于实现更高分辨率的阵列，增加运动的复杂性，并更好地集成到小型机器人和可穿戴设备中。
编辑：猫学长 | 审核：Wei
