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图：软体机器人跃出水面瞬间
欣赏过全红婵艳惊四座的高台跳水，我们再来认识一位软体机器人界的 “跳水”冠军。不同的是，这个机器人是反着跳，从水底直接跃出水面。
——浙江大学机械工程学院赵朋教授、张承谦博士提出了一种基于立体折叠的双稳态结构与磁化设计的双稳态弹跳机器人，它最高可以弹跳超过自身身高100倍的同时，响应时间也只需数十毫秒，各项指标均优于现有软体弹跳机器人。
相关论文“Bistable soft jumper capable of fast response and high takeoff velocity”发表在Science Robotics杂志，为为软体机器人的高效运动提供了全新的思路。
1、“软体弹跳机器人”是一类怎样的机器人？
答：软体弹跳机器人顾名思义是指由软材料构成，能够实现弹跳运动的一种新型机器人。相比于刚性弹跳机器人，软体弹跳机器人拥有出色的抗冲击能力，能够在受到撞击时吸收和分散能量，降低损害。同时软体弹跳机器人将弹跳作为其主要的运动方式，使其具备高度的环境适应性，能够在复杂多变的地形中灵活移动和工作。
然而软材料通常具有较低的弹性模量，这意味着它们在承受较大应力时容易变形，难以提供足够的力进行高功率输出。另一方面，现有的软体弹跳机器人驱动速率普遍较低，且软材料在形变以后通常需要进行较长时间的复位，这极大地限制了软体弹跳机器人的响应速度。
2、影响响应速度和高度的因素分别是什么？能否以蚂蚱为例来解释一下？
答：以蚂蚱跳跃为例，在跳跃前，蚂蚱会弯曲后腿，类似于压缩弹簧的过程，从而积聚弹性势能。在跳跃时，腿部需要快速伸展，在瞬间将积蓄的弹性势能转化为动能，使蚂蚱能够进行弹跳。因此，弹性势能的高效存储与快速释放是决定蚂蚱弹跳高度的关键因素。
响应速度可以理解为蚂蚱在感受到威胁时，从感知到威胁到完成弹跳所需的时间。这一速度主要取决于蚂蚱能够多快完成腿部的动作，蚂蚱需要协调腿部肌肉与关节，在最短的时间内弯曲并压缩储能结构，然后弹跳离地以逃避捕食者的威胁。
3、为什么传统的软体机器人的响应速度比较慢？
答：软体弹跳机器人通常由柔软的聚合物或凝胶制成，这些材料的应力-应变特性导致其在力的传递和响应上相对较慢。另一方面，软体机器人的驱动方式多样，包括气动、液压、光热等，但这些驱动方式受限于压力建立或温度升高的时间，极大影响了软体机器人的响应速度。
4、你们设计的这个“弹跳机器人”使用了什么材料，以及什么结构？其中最大的创新是什么？
答：该弹跳机器人整体呈金字塔结构，其四个侧面由具有高杨氏模量的磁性材料构成，确保了结构的刚度和驱动能力；而结构的折痕处则采用低杨氏模量的硅胶材料，利用其良好的拉伸和弯曲性能，实现了结构在垂直方向上的翻折。
图：双稳态弹跳机器人工作原理示意图
其中最大的创新是构建了由磁场驱动的双稳态结构，提出了一种基于立体折叠的双稳态结构与磁化设计，通过磁场驱动与折痕形变实现快速突弹跳变，实现能量的高效存储与快速释放。基于该原理所开发的双稳态弹跳机器人在弹跳高度与响应速度方面均获得了突破。
5、这种结构创新的灵感来自哪里？
视频：超高速摄像机所记录下的突弹跳变行为
答：利用双稳态结构来实现突弹跳变，这一原理受到了大自然中生物的启发，例如，捕蝇草通过双稳态结构实现了叶片的快速闭合，以高效捕捉猎物。而为了能够稳定且高效的激发突弹跳变现象并将其用于弹跳，我们对机器人的结构进行了大量的优化设计，并最终呈现出当前的形态。
6、“磁性”在机器人身上起到什么作用？
答：该弹跳机器人的四个侧面由磁性材料构成，这些磁性材料的磁化方向经过排布设计，在外部脉冲磁场的激励下，这些磁性材料的磁化方向趋于与磁场方向保持一致，所产生的磁矩可使得立体折叠结构发生翻折，从而驱动双稳态弹跳机器人在不同稳态间进行快速切换，实现能量的存储与释放。换句话说，磁性材料的“磁性”是弹跳机器人的动力来源。
7、“双稳态”是通过什么机制实现的？
答：“双稳态”是通过金字塔立体结构的弹性折叠实现的。在结构翻折过程中，由于折痕处存在拉伸与弯曲两种应变形式，通过应变所积攒的弹性势能并不是随着翻折角度的增大而单调递增，而是在翻折的过程中存在着局部最低点。当处于弹性势能局部最低点时，结构会保持在脆弱的稳定状态。弹性势能的局部最低点与初始零点一起构成了双稳态结构的两个稳态点。
8、论文中有一个很酷的视频，机器人从水下跃出了水面，你们为什么要设计这样一个场景？
视频：双稳态弹跳机器人跨介质弹跳展示
答：弹跳机器人从水下跃出水面这一行为是反应该机器人特性的最好证明。一方面体现了弹跳机器人具有很高的输出功率，可以克服水下的阻力完成起跳。另一方面体现了弹跳机器人的可控性，因为在实际弹跳中我们利用磁场来精确调控弹跳机器人的出水姿态，从而最大限度地降低了穿越水面时的阻力，实现了破水而出。
相比于单纯在大气环境下进行的弹跳，跨介质弹跳需要考虑更多的因素，同时也会面临更大的阻力，这是在以往有关弹跳机器人的研究中所没有涉及过的。我们通过设计这样一个场景，进一步展示了所开发弹跳机器人的优越性能与巨大潜力。
9、为什么这个机器人能够变换不同的弹跳方向？
视频：定向弹跳展示
答：我们通过改变磁场方向来引导弹跳机器人的弹跳方向。在原地起跳时，磁场沿垂直于弹跳机器人水平截面的方向施加，从而驱动其在竖直方向上弹跳。而在偏转磁场的作用下，弹跳机器人的整体结构在突弹跳变过程中也会发生偏转，从而改变与地面接触时的角度和方向，导致弹跳沿不同方向进行。实验结果表明，弹跳机器人可以根据施加磁场方向的不同，实现360度全向弹跳。
10、这个机器人创下了哪些“纪录”？
答：该弹跳机器人在弹跳高度和响应速度方向都取得了性能的领先：弹跳高度超过自身身高的108倍，打破了目前可重复弹跳软体机器人的弹跳记录；同时该弹跳机器人的响应时间小于15ms，是现有软体弹跳机器人中响应速度最快的。
11、您认为这类机器人将来将有哪些应用场景？
答：在论文中，我们论证了双稳态弹跳机器人的尺寸效应，即使整体尺寸缩小，弹跳机器人依然具有优秀的弹跳能力。未来在先进制造技术的帮助下，缩小尺寸的双稳态弹跳机器人在生物医学中的应用值得期待，因为双稳态机制可以大大提高体内医疗微型机器人的运动能力和驱动功率。同时，稳定且具有一定刚度的结构还有利于集成不同的组件，如探针、药物胶囊或其他载荷。此外，我们提出的双稳态弹跳机器人通过外部磁场无线驱动，相比传统系缆机器人拥有更大的移动自由度，具备了在封闭环境例如复杂狭窄管道执行任务的能力。未来在有望在管道探伤领域发挥作用。
除磁场驱动以外，我们提出的双稳态结构同样适用于使用其他驱动方式的软体机器人，这为高性能软体机器人的发展提供了新的思路。
12、“磁性功能器件成形制造”领域主要关注哪些问题？
答：这一领域关注的问题归纳为一句话就是磁极分布的设计与制造。磁材料组成的功能器件在现代社会中扮演着至关重要的作用，如在永磁电机需要通过优化内部磁极的分布来实现最高的电驱动效率，而不同分布的磁极精准成形又是影响服役性能的关键技术。由于磁性功能材料的非接触、快响应、高精度特性，可为新型柔性器件研制提供全新的思路，除了此次利用柔性结构与磁化设计实现了高输出功率的软体弹跳机器人的工作，我们团队前期还设计了一种巧妙的磁极分布，从理论上证明了其磁场-位移的三维解耦特性，并开发了折叠磁化成形工艺，研制出全新的柔性三维力传感器。可以看出，新型的磁极设计理论与成形方法，能够有效赋能全新磁性器件的开发。
下一步，我们团队将继续围绕磁性功能器件的成形技术开展研究，从磁性微粒的动态调控手段出发，实现更高灵活度的三维磁极精准成形，并配合磁化设计理论开发具有新特性的磁驱动/传感器件。
本研究进展研究团队主要成员合影
来源 | 浙江大学学术委员会
