魔鬼魚仿生軟質機器魚

robotic fish

©Tiefeng Li等人,2017

 

軟質機器人正逐漸成為機器人領域的新熱門。最近,來自中國杭州浙江大學的工程師團隊研發了一種魔鬼魚仿生機器魚,其板載系統十分完整,包括供電和遙控等部分。機器魚體長9.3釐米(加上尾巴18.5釐米),重量只有90.3克,電池充電後能在水中游3個小時之久。軟質機器魚為許多未來的應用領域帶來了希望,比如在複雜的海洋環境中監測水質或發現新的海洋生物。

傳統機器人由剛性材料製成,這些材料通常會限制機器人的變形能力以及讓自身形狀適應外部環境的能力。雖然這些剛性機器人具有輸出力大、精度高、可控性強等優點,但是往往缺乏自然生物的多功能特性。另一方面,軟質機器人可以實現彈性變形,並且能夠通過狹窄空間而不會導致內部損壞。

許多軟質機器人由剛性馬達或者刺激響應型軟質致動器來驅動。而後者的輕便性、靈活性和緊湊性使其更適用於軟質機器人。軟質致動器的種類很多,比如形狀記憶合金(SMA)、介電彈性體(DE)、響應性水凝膠和活細胞。本文中的魔鬼魚仿生機器人通過DE和離子導電水凝膠驅動,這與由透明水凝膠製成的柳葉鰻仿生軟質水凝膠偽裝機器人 有些類似。DE以迅速的響應速度以及較大的動作著稱,但是這種材料對高電壓和厚絕緣的要求限制了它們在基於緩啟動器的機器人中的應用。為了減輕這種不便,研究人員決定使用周圍的開放水域(“弱而充分”的電導率)作為電極,從而解決了進一步絕緣的需要。

 

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圖1. 軟質機器魚的製作 /©Tiefeng Li等人,2017

 

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圖2. 通過矽膠固化製作的軟質魚身(左);軟質魚身上的尾巴 /©Tiefeng Li等人,2017

 

機器魚的肌肉由DE膜構成;翅片由薄矽膜構成;軟質的彈性身體由矽膠框構成。魚身還連接了一條帶有嵌入式電磁鐵的矽膠魚尾,以便進行轉向。

 

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圖3. 拍打胸鰭的致動機制 /©Tiefeng Li等人,2017

 

DE膜內部是水凝膠,而水凝膠與離子導電電極(饋線)連接相連。向電極外加電壓時,電場會驅動周圍水中的離子以及水凝膠。正電荷和負電荷積聚在DE膜的兩側,請參見圖3的第2張示意圖。水凝膠帶正電的邊緣被吸引至DE膜外部水中帶負電荷的電子,當這些粒子彼此吸引時,它們會擠壓之間的部分,導致DE膜變形(致動狀態)。停止供電後,機體返回其原始配置(靜止狀態)。如果提供迴圈電壓,那麼機器魚就會像游泳的魔鬼魚一樣上下搖晃翅片。

 

 

翅片的上下搖晃會引發軟矽膠膜的波動運動,從而實現下面視訊所示的正向推進。機器魚動作時(即用線連接一個放大的AC電壓訊號)會產生一個推力。其游泳速度取決於外加電壓的幅度和頻率。當外加電壓的幅度和頻率分別為10 kV和5 Hz時,機器魚的最大速度為13.5 cm/s。

 

 

對於無線系統,該團隊研發了一種名為“Epod”的電子艙,裡面含有一個高壓放大器、一塊鋰離子電池以及紅外(IR)遙控電路。Epod的重量為47.8克,其內部剛性元件封裝在矽膠中。然後,設計人員將Epod粘在魚體下方。

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圖4. Epod中高壓放大器電路圖 /©Tiefeng Li等人,2017

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圖5. 無線軟質機器魚 /©Tiefeng Li等人,2017

憑藉一塊3.7 V 450 mAh鋰電池,單次充電後,機器魚能夠以1.1 cm/s的速度遊3.15小時;以3.1 cm/s的速度遊1.5小時。此款無線機器人的最大前進速度為6.4 cm/s(9.5 kV和5 Hz)。速度降低的主要原因是總重量增加(從42.5克升至90.3克)以及Epod的額外阻力。另外,配備有攝影機的機器人還可以通過遠端IR控制進行掉頭(本文的第一支影片)。

由於該機器人的高適應性和高敏捷性,它甚至可以在極端溫度條件下游泳(比如0.4°C至74.2°C),不需要添加保溫措施。該機器人還展示出卓越的偽裝能力,它可以很容易地融入到背景中,幾乎看不到。