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耶鲁大学新型机器人“皮肤”赋予物体刚度变化特性,变化提升达最大47倍!

发表时间:2020-10-26 14:35:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【



导读

刚度变化能够为柔性机器人或者柔性结构带来很多好处,例如能让机器人在“坚硬”和“柔软”之间切换状态。但现有的变刚度结构有一定的局限性,它们大多是为了实现某种特定的目的而设计,缺乏普适性。为了解决这一问题,来自耶鲁大学的研究团队跳出传统的设计思路,提出了一种可以改变刚度的“皮肤”结构。这种结构可以被拉扯和折叠成为三维形状,或者是包覆在物体表面来影响物体本身的刚度。该“皮肤”利用了真空驱动的薄片挤压阻塞(layer jamming)原理来实现刚度变化,安全可靠,刚度变化快,通过真空抽取的刚度变化提升达最大47倍(0.67N/m到31.05N/m),因此在机器人领域和可穿戴等领域有着广泛的应用前景。该研究成果近日发表于国际顶级期刊《先进功能性材料(Advanced Functional Materials)》。


可变刚度“皮肤”让“万物皆可变硬”


工科生一定看到过类似的科幻电影,当给普通人穿上一层具有特殊能力的“皮肤”,就能得到一定的超于常人的能力。例如漫威宇宙蜘蛛侠的宿敌“毒液”,原本是loser的男主借助外星生命体的“皮肤”获得了超能力,打败大反派,迎娶白富美,走上人生巅峰……跑偏了跑偏了!


毒液电影片段

 

科学家们也在为机器人设计各种各样的“皮肤”,来提高机器人在某方面欠缺的能力,例如设计具有传感能力的皮肤模块附着于软体或者是刚性的机器人表面,让机器人具有感知外部世界的能力。有的研究者干脆直接制作了具有驱动能力的柔性皮肤,让毛绒玩具也能瞬间变身为具有运动能力的“机器人”(该研究和今天介绍的研究出自统一团队,耶鲁大学的Dr. Rebecca Kramer-Bottiglio)。相比于改变机器人本身的结构和设计,为机器人添加模块化或者柔性的皮肤,也是提升机器人能力的一种方法。(文末附有一些论文的信息,感兴趣的同学可以自行搜索)。



几种不同类别的客机器人“皮肤”



毛绒玩具变机器人

 

自然界中存在着许多动物,可以根据环境来改变自身的刚度,从而更好地适应环境,例如章鱼可以让它们的触手在延展过程中变硬。受到自然界的启发,研究者们希望能设计可切换刚度的结构,从而满足不同的需求。以往也不乏有变刚度机器人或者驱动器的设计,如利用颗粒物阻塞便刚度的原理,或者利用磁流变液,或者是智能材料(液态金属,记忆高聚物)等,但是现存的设计大多数都采用对于机器人本体直接进行重新设计的方式来实现刚度变化,因此缺乏了普适性。(文末附有一些经典的变刚度的综述论文,感兴趣的同学可以去搜索)

 

近日,来自耶鲁大学的研究团队近日提出了一种可以改变刚度的“皮肤”结构,从新的设计思路出发来设计变刚度结构(该团队之前已经提出了一款可以赋予物体生命的气动皮肤,发表于science robotics)。这种结构本身可以被拉扯和折叠成为三维形状,或者是附着在物体表面来影响物体本身的刚度。该“皮肤”利用了真空驱动的薄片挤压阻塞原理(layer jamming)来实现刚度变化,安全可靠,变化速度快,通过真空抽取的刚度变化可达最大47倍(0.67N/m到31.05N/m), 因此在机器人领域和可穿戴等领域有着广泛的应用前景。该研究成果近日发表于国际顶级期刊《先进功能性材料(Advanced FunctionalMaterials)》。


变刚度“皮肤”的功能总结

 

变刚度“皮肤”不仅仅柔软,更重要的是它还具有一定的弹性,这使得它能够适应更多的表面,做出更多不同的形状变化。



研究人员展示可拉伸折叠的 “皮肤” 

 

在需要提升刚度时,对结构内部进行抽真空,内部的薄片单元就会被大气压力挤压变形,从而起到所谓阻塞变刚度的效果,即所谓的(层间阻塞)layer jamming。



拉伸后进行抽真空变刚度

 

研究者通过各种实例来展示了变刚度“皮肤”的实用性,包括折叠“皮肤”来实现各种功能,以及将皮肤附着于一些物体表面来提升整体刚度, 小编在这里先为大家展示。在下一部分会对这款可变刚度皮肤的结构进行简单解析,文末会有文章信息和视频链接,感兴趣的同学不要错过喔。



卷起来成为一个圆筒形状



在刚度提升后可以承重1.5公斤

 

如何把“皮肤”做成一个杯子?请看下图:



包裹一个球并抽真空

 


 拿掉球还保持形状,可以承接水

 

通过包裹物体,可以让原本柔软的物体具备大刚度。



包裹软的柱子

 


刚度提升使软柱子的刚度也响应发生改变

 

可以作为保护伤者手腕的支撑件,变化刚度从而限制手腕运动,质量轻便。



包裹手腕



 变刚度固定手腕


变刚度“皮肤”的设计原理


变刚度“皮肤“由一个密封的可拉伸的薄膜里面包裹着小的互相层叠的不可拉伸的薄片单元构成,这些薄片单元就是负责刚度变化的核心部件。在常规的大气压下,每个单元之间可以相互滑动,因此让”皮肤“在宏观层面呈现可拉伸性。当把薄膜内部的空气抽光,受到外部大气压力的挤压,内部的薄片单元之间摩擦力增加,从而导致它们的相对滑动变得困难,因此宏观上整个”皮肤“实现了刚度的变化。这种单元设计式的薄片是刚度变化的核心结构,它让“皮肤”本身即可具有一定的弹性,有可在有需要的时候变得坚硬。



变刚度薄膜的原理

 

变刚度“皮肤”的加工过程还是相对比较繁琐,因为内部包含了阻塞单元和抽真空用的管,要分层进行制作,下面展示了它的制作过程。



变刚度薄膜的制作过程


除去第一部分展示的一些功能,这款变刚度“皮肤”还有其他的一些有趣的功能。例如可以实现复杂3d形状的轮廓复制。当把“皮肤”覆盖在不同物体表面时,先对物体和皮肤之间进行真空抽取,然后对皮肤本身进行真空抽取,在这两步之后,就可以在皮肤上复制出物体本身的轮廓。研究者展示了一个3d打印的人脸,一个香蕉模型,以及一个卷尺。



轮廓复制

 

另外,这种变刚度的皮肤可以被用于具有多节多段的软体机器人结构,因此来改变不同部分的刚度,满足不同的需求。研究者设计了一个三段式的拉线驱动的的软体机械臂,每段都包覆有这种变刚度“皮肤”,当需要某一个部分弯曲时,对其余部分的皮肤进行刚度变化,然后再拉线驱动,就可以实现想要的变形目的。相比于之前专门设计驱动器的结构来实现变刚度,这种可以随时穿上取下的变刚度“皮肤”确实方便了不少。



用作柔性机械臂的表皮

 

变刚度皮肤的其他用途展示,只有你想不到的,没有它做不到的。比如说做一个铲沙子的铲子,或者是保护脆弱的支架结构,又或者是变作一个书架,或者是置物架等。看着小编也想自己做一个来用了!



 其余的用途展示


总结与展望


总的来说,这款变刚度“皮肤”的设计让小编真的是大开眼界,也是颇受启发,想着变刚度结构竟然还可以这样去实现。研究者通过设计2d的薄膜结构,然后二维变三维,附着于物体表面,从而改变刚度。这款“皮肤”展现了广泛的实用性和不错的可重复利用行。

 

当然,研究者指出,现阶段这款设计还有很多局限,例如受到目前材料和结构的限制,皮肤还没有办法很好的完全贴合物体表面。同时薄膜的寿命也是一个问题。在未来,研究者希望通过改进结构设计来实现更加贴合物体表面的皮肤,同时刚度上也能得到更大的提升。从外面表皮做文章的思路还颇为让人赞叹,希望今天这篇报道能够启发相关领域的研究者!

 

文末视频:





观看视频4、视频5,请关注“机器人大讲堂”公众号,后台回复“刚度皮肤”,获取下载链接

 
文章信息:
Shah, D. S., Yang, E. J., Yuen, M. C.,Huang, E. C., & Kramer‐Bottiglio, R. (2020). Jamming Skins thatControl System Rigidity from the Surface. Advanced Functional Materials,2006915.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202006915
 
机器人皮肤文章信息:
Shih,B., Shah, D., Li, J., Thuruthel, T. G., Park, Y. L., Iida, F., ... &Tolley, M. T. (2020). Electronic skins and machine learning for intelligentsoft robots.
https://robotics.sciencemag.org/content/5/41/eaaz9239
Booth,J. W., Shah, D., Case, J. C., White, E. L., Yuen, M. C., Cyr-Choiniere, O.,& Kramer-Bottiglio, R. (2018). OmniSkins: Robotic skins that turn inanimateobjects into multifunctional robots. Science Robotics, 3(22).
https://robotics.sciencemag.org/content/3/22/eaat1853.short
 
变刚度综述论文文章信息:
Manti,M., Cacucciolo, V., & Cianchetti, M. (2016). Stiffening in soft robotics: Areview of the state of the art. IEEE Robotics & Automation Magazine, 23(3),93-106.
https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7565718/



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责任编辑:蔡学森