中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
繩驅動(dòng)連續體機器人（CDCR）是重要的軟體機器人，具有結構輕巧、安全和自由度高等特點(diǎn)，能夠基于其自身的柔性和可拉伸性產(chǎn)生大幅度彎曲、扭轉變形等動(dòng)作，因此它可在狹窄和復雜的環(huán)境中很好地工作。目前，CDCR系統中常用的光纖布拉格光柵傳感器模量高、伸長(cháng)率極低、缺乏粘附機制，限制了軟體機器人的運動(dòng)且易與機器人分層，這使這種剛性的傳感器不適合集成系統。如何設計柔性可黏附傳感器，用于CDCR的自感知及其運動(dòng)監控仍是挑戰。
中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所智能高分子材料團隊研究員陳濤、副研究員高國榮，與精密運動(dòng)機器人團隊研究員張弛、高級工程師鄭天江等合作，基于兩個(gè)團隊在離子導電凝膠領(lǐng)域（Adv. Mater, 2020, 32, 2004290；Nano Energy, 2021, 90, 106614等）與CDCR領(lǐng)域（IEEE Access, 2019, 11, 174236；Symmetry, 2019, 11, 1158等）的研究成果，運用由離子導電聚丙烯酰胺/海藻酸鹽/納米粘土聚合物復合水凝膠制成的類(lèi)皮膚狀水凝膠傳感器，實(shí)現了CDCR柔性自我感知（圖1）。
非共價(jià)交聯(lián)動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò )結構的引入，使水凝膠具有良好的可拉伸性（1840%）、自粘附性（6.6 kPa粘附強度）及自修復性能（圖2），同時(shí)，能夠對多種形變（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉）進(jìn)行寬范圍的敏感響應（圖3），將其作為類(lèi)皮膚傳感器粘附在CDCR表面，CDCR能夠獲得感知運動(dòng)的本體感覺(jué)和感知障礙物及陷阱的外感知（圖4）。進(jìn)一步仿人類(lèi)的感覺(jué)系統，研究構建了用于調節CDCR彎曲的閉環(huán)控制系統，可構建“驅動(dòng)-傳感-反饋”指導后繼驅動(dòng)的閉環(huán)控制（圖5）。該研究為設計應用于繩索驅動(dòng)的連續體軟機器人的傳感器和閉環(huán)系統建立了有效途徑。
相關(guān)研究成果以Cable-Driven Continuum Robot Perception Using Skin-Like Hydrogel Sensors為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、浙江省自然科學(xué)基金、寧波市科技創(chuàng )新2025重大項目、寧波市自然科學(xué)基金、中科院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃、中德合作國際交流項目及王寬誠教育基金等的支持。
