PNSMI 综述
柔性机器人的流体驱动与智能材料驱动研究综述
全文导读
软机器人由于其自身的材料组成和结构特性，具有交互安全、适应性好、灵活性强等特点。如今被广泛应用于医疗服务、农业收获、救灾救援、水下探测等领域。本文对软机器人的驱动方式和驱动材料进行了综述，并根据是否包含智能材料将软机器人的驱动方式分为柔性流体驱动和智能材料驱动，其中柔性流体驱动从软体结构、材料和动力源三个方面进行了说明。随着智能材料的发展，本文首次提出了智能材料与软机器人之间的联系，并从原理、材料、结构等方面对论述进行了总结，最后对软机器人驱动进行了探讨，并对其未来发展进行了展望。
柔性流体驱动软体机器人
流体驱动是软体机器人最早的驱动形式，流体驱动的软体机器人也是软体机器人研究和应用中应用最广泛的类型。驱动能量介质为液体或空气，可通过外置液压泵、气泵或高压气瓶增压。由于自然环境中的空气具有易于获取、质量轻和无污染的优点，因此通常优先选择气动系统而不是液压系统。
适用流体传动的材料
研究人员统计了17种不同性能的弹性体和17种具有力学特征的超弹性材料及其相应的材料性能。一般来说，在为软机器人选择软材料时，拉伸强度、弹性模量和动模量是最常考虑的力学性能。为了提高软质材料的力学性能，增加软机器人的承载能力，纤维和微米级材料的添加是一种有效的方法，如玻璃纤维、碳纤维高模量有机纤维、纳米颗粒、纳米管等。
流体驱动电源
气动驱动是最灵活的驱动方式，气动驱动动力有气泵产生的气体和化学反应产生的气体的直接来源。目前，气动驱动动力源大多由气泵提供，气流输入通过电磁阀控制。除了高压气体作为动力源外，还可以采用负压驱动作为动力源。下面将详细介绍变刚度传动中负压传动的描述。
液压驱动具有更高的稳定性和输出。研究人员开发了一种负压、液体驱动的人工肌肉，通过结构编程实现了多种运动；为水下爬行机器人建立了一种新型的刚柔结构液压驱动系统，其负载重量比为5:1，在外部环境高压条件下(深海水环境)，液压驱动表现出良好的驱动效果。相较于气动驱动，液压驱动更适合水下的勘探和救援应用。
化学驱动器由于化学反应的类型不同，性能差异很大。驱动器内的化学反应速率通常难以精确控制，这使得化学驱动器的可控性较差。化学反应作动与流体作动有相似之处，只是来源不同，由于占空比短的限制，目前采用这种类型的作动的应用较少。
研究人员利用3D打印技术制作了一个燃烧驱动的软机器人(图e)。实现无缆自由跳跃运动。可燃气体可以保证快速的驱动速度，但也对软材料和密封提出了更高的要求。以丁烷为反应气体，采用气动与爆炸执行器相结合的方式设计了无系绳跳跃软机器人(图f)，给出了丁烷燃烧动力跳跃的热力学模型。
化学反应的速度直接影响驱动器的效率。缓慢的反应是低效的，而过于激进的反应会影响驱动器的有效性，甚至破坏它。
流体执行器的主要结构形式
流体驱动结构主要由应变区、约束区和气腔组成。目前，根据流体驱动的结构形式，分为三种类型:气动网执行器、纤维增强执行器、mckibben型执行器和变刚度执行器。
气动执行器主要用于灵活性好、体积要求低、有气源的场合，如柔性机械臂、检测与搜救、手术机械臂、康复机械手等。
为了防止执行机构过度变形，提高抓握能力，研究者采用了纤维约束的方法。其中纤维主要起到约束作用，通过纤维在不同方向上约束这些软质材料来控制软机器人的运动。纤维增强致动器由硅橡胶制成，其中可膨胀部分内部沿径向(或其他方向)用纤维增强，以限制非设计方向的运动，并通过在一定方向上添加纤维约束来限制封闭腔体的变形。
mckibben型气动人工肌肉(PMA)执行器中，PMA由内部可膨胀的弹性软管和外部可通过压缩空气轴向收缩的编织套筒组成，可承载高达50公斤的重量，由于其驱动特性接近生物肌肉，因此非常适合用作机器人的执行器。
智能材料驱动的软体机器人
智能材料可以嵌入机器人体内，通过控制这些材料的变形来模拟生物的运动，这是设计智能材料与驱动结构一体化的有效形式。
SMA驱动
SMA是一种坚固的智能材料，可以在温度和应力下发生相变，具有独特的形状记忆效应，同时可以制作成不同的形状，如线、板、管、带等。
上图为形状记忆效应的完整过程。Ni-Ti合金是最容易生产，具有更好的热机械、抗疲劳和生物相容性，是目前研究和开发最成熟的形状记忆合金之一，被广泛应用于仿生机器人的设计和制造，如柔性爬行机器人、仿生机器鱼、仿生灵巧手等。
目前已发现的磁性形状记忆合金主要有Ni系合金(Ni-Mn-Ga、Ni-Co-Al等)、Co系合金(Co-Mn、Co-Ni)和Fe系合金(Fe-Pd、Fe-Mn-Si等)。与传统的温控形状记忆合金相比，磁性形状记忆合金结合了高应变和快速响应的综合优点。此外，磁性形状记忆合金所表现出的丰富的物理效应，如磁热和磁阻，使它们被广泛认为是下一代智能材料的首选。但目前磁性形状记忆合金还处于基础研究阶段，离实际应用还有很长的路要走。
电活性聚合物驱动(EAP)
EAP是一种新型的智能高分子材料，在电场作用下，电活性聚合物的内部结构发生变化，薄膜表面导电层之间的静电引力引起薄膜的压缩和变形。具有重量轻、能量密度比高、噪声极低、响应速度快等特点，在仿生机器人、航空航天、能源、无线通信等领域具有巨大的应用潜力。
基于介电弹性体(DE)的柔性执行器因其响应速度快、重量轻、柔软、低噪声等优点而受到广泛关注。研究人员设计了一种由一对反向DEA人工肌肉驱动的大曲率软机器人(图c)；一种由DE驱动的扑动微型机器人(图d)，该机器人可以进行上升和悬停飞行，功率密度为600 W/h。还有一些由硅橡胶和PDMS混合导电填料制成的软体机器人仅在电场作用下即可产生驱动力并驱动变形。介电弹性体聚合物具有较好的驱动力和响应速度，适合应用于快速响应的机器人结构中，如快频跳跃机器人和两足攀爬机器人。
IPMC也是一种适用于作动的先进材料。当对IPMC施加电压时，水合阳离子和水分子在膜内运输，相关的静电相互作用导致弯曲运动，从而产生驱动效应。IPMC驱动功率小，转换效率高，工作频率合理，无需任何防水步骤，适合在水中使用。
智能 hydrogel-driven
水凝胶非常柔软，湿润，低过敏性，适合在人类接触的环境中使用，被作为人造肌肉的功能材料。然而，由水凝胶制成的机器人身体容易破裂，并且呈现出粘性，不适合在空气中使用。目前应用最多的智能水凝胶是由聚合物PAMPS组成的电响应水凝胶，它受环境PH的影响，被用于制造柔性仿生执行器。
研究人员制造了一种双层水凝胶驱动器，每层热响应相反。加热双层水凝胶时，水从较低临界溶液温度(LCST)的聚合物水凝胶层渗漏出来，被较高临界溶液温度的聚合物水凝胶吸收，导致水在双层水凝胶内部重新分布，从而使其发生弯曲运动(图b)；对水凝胶致动器进行了改进，利用静电纺丝将水凝胶纤维复合膜制成致动器，并通过周期性改变pH值实现致动器的周期振荡(图c)。
进展与总结
随着对不同驱动类型的全面探索，许多研究者开始研究融合不同驱动模式的执行器设计，如气动与液压结合驱动(混合流体驱动)、液压与介电弹性体结合驱动、SMP与气动结合驱动等。多驱动融合的方法适用性更强，能够在拥有一种驱动优势的前提下减少相应的劣势。这种方法的研究将为今后软体机器人的发展提供更广阔的空间。
使用智能材料作为驱动材料时，嵌入柔性材料中的形状对制造技术的要求不那么严格。重点是如何控制智能材料，使软体机器人能够实现预期的驱动变形，这不仅需要考虑柔性材料结构中嵌入的智能材料，还需要考虑智能材料的致动。
SMA驱动软机器人的变形与温度有关，与初始形状有关。SMA材料作为弹性体具有较大的变形量，但由于SMA材料嵌入硅胶内部散热缓慢，驱动速度会变慢。SMP驱动的软机器人变形大，但控制精度低，驱动力小，控制困难。电子EAP速度快，但需要的电流大，变形率低。离子型EAP，IPMC在水中所需输出较小，驱动效果好，但响应时间长，驱动速度慢，变形率低。智能水凝胶主要受溶解行为驱动，响应时间慢，但变形速率大。对于软体驱动，软体材料在应力、寿命、撕裂强度等性能上有时难以满足实际需要。
总体而言，多种软体材料融合、软质材料与刚性材料结合或软质材料与纳米材料结合的设计方法，可以在一定程度上弥补单一材料的不足。结合材料科学与工程的需求，高质量的新型智能材料的发展将为软驱动的工程应用提供新的手段和支撑。
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https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2023.09.002
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.7，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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