人造肌肉“以柔代刚” 在微细管道巡检探测中大显身手

由新型软性材料构建的人造肌肉十分柔软，具有高功率密度、长寿命等优势，其智能性体现为在外界（电场）刺激作用下可变形，能够在弯曲管道中被动适应管道曲率。

航空发动机有许多复杂弯曲的管道，定期巡检这些管道，依靠的是管道机器人。以刚性材料制成的机器人“块头大”，无法进入微细管道，但一种靠智能材料驱动的软体机器人，有望填补微细管道巡检探测设备的短缺。

近期，清华大学机械工程系现代机构学与机器人化装备实验室的科研团队研发了一种以新型软性材料介电弹性体致动器和基于智能复合微结构的锚定单元作为人造肌肉和传动装置，构建的蚯蚓仿生管道机器人。相关研究论文发表于国际期刊《科学·机器人》。

蚯蚓通过肌肉和刚毛的配合使身体蠕动，在窄小的环境中来去自如。由新型软性材料构建的人造肌肉具有可控收缩和舒张变形特性，智能复合微结构的作用则类似于蚯蚓腹部的刚毛，使机器人在微细和弯曲的复杂管道内高速“蠕动”。

人造肌肉在外界刺激下可变形

目前已研发的管道机器人有轮式、腿足式、履带式等，其电机、齿轮、传动杆件等主要构件使用的是刚性材料，适用于大口径管道巡检。当涉及直径小于1厘米的微细管道时，其尺寸不能按比例缩小。

而该团队研发的蚯蚓仿生管道机器人仅比常见的蚯蚓体型稍粗，机器人重量只有2.2克、长4.7厘米、直径不到1厘米。与蚯蚓由若干小体节组成稍有不同的是，该管道机器人由3部分拼装而成，分别为延伸单元、锚定单元和磁单元。

论文通讯作者、清华大学机械工程系副教授赵慧婵告诉科技日报记者，实现管道机器人尺寸小型化的关键在于智能材料的选取和制备。

该机器人的延伸单元是一种柔软的人造肌肉。针对刚性材料无法缩小等问题，该团队创造性地将弹性体软材料和柔性电极材料层层交替堆叠卷绕，制备成机器人的人造肌肉。

赵慧婵介绍，采用这种方式制备的人造肌肉十分柔软，具有高功率密度、长寿命等优势，其智能性体现为在外界（电场）刺激作用下可变形，能够在弯曲管道中被动适应管道曲率。此外，利用人造肌肉独有的可控收缩和舒张变形特性，机器人可在管道中快速“蠕动”。

避免软性材料黏性影响运动速度

“蚯蚓的蠕动行为给了研究团队很大的启发。”论文第一作者、清华大学机械工程系博士后汤超表示，为使管道机器人真正动起来，除了上文所述由人造肌肉构成的延伸单元，另一个关键要素是机器人的锚定单元。

为了制造锚定单元，团队经过一番讨论研究，决定采用一种专门制作微小材料的加工技术——智能复合材料微结构技术。“基于该技术，研制人员通过激光切割以及热压成形工艺，设计制造了一种特殊的刚性组件，它密密麻麻地附着于延伸单元底部，可使机器人高效移动。”汤超说。

通过人造肌肉和刚性组件，使管道机器人像蚯蚓一样“蠕动”的物质基础已经具备。但是，管道机器人的应用场景决定了其需要在多介质、多材质、变管径的复杂管道内，按照一定的速度进行探测。那么，该机器人的移动速度会受到材料哪些方面因素的影响呢？

赵慧婵介绍，多次实验表明，在高频的驱动下，软性材料的黏性会阻碍自身的变形幅度，并且使得变形与驱动信号之间形成一个很小的时间差；而共振的特性可以放大变形的幅度。“我们通过调制驱动信号的频率和相位，来匹配和适应材料的黏性、惯量、弹性等特性，从而避免黏性带来的不利影响，发挥共振带来的增益效应。”赵慧婵说。

研究人员对机器人的动态特性做了建模和分析，对软性材料驱动的一些特性例如黏性、共振特性等，进行了调控和利用，最终实现了机器人在亚厘米大小管道中各方向的快速运动。实验发现，机器人以约100赫兹的频率“蠕动”时的运动速度可以保障探测效率。

据悉，由新型软性材料构建而成的人工肌肉和智能复合微结构，除了用于制造微型管道检测机器人以外，还可以广泛应用于各类微小型机器人的驱动和传动，例如微型飞行器、微型地面移动机器人等。赵慧婵表示，这款管道机器人目前在实现产业化方面面临的挑战，包括制备工艺的规模化和稳定性问题、智能材料与结构本身的服役寿命等。

赵慧婵表示，这款管道机器人，将来有望在航空发动机管路检修等领域发挥作用。“当前的飞机发动机检查方法非常耗时，依赖于高技能的工程师。研究团队希望这种依靠智能材料驱动的‘以柔代刚’的机器人，能在飞机发动机管道中进行检测，同时将沿途的所有图像发回，以节省工程师的时间和精力。”她说。