一种受蚯蚓启发的多模态气动连续软机器人：性能提升与应用前景

《Cyborg and Bionic Systems》：Earthworm-Inspired Multimodal Pneumatic Continuous Soft Robot Enhanced by Winding Transmission

研究针对蚯蚓启发软机器人运动模式单一问题，开发相关机器人，提升其运动效率，具医疗和工业应用潜力。

　　在科技飞速发展的今天，机器人领域不断推陈出新。传统的刚性机器人在面对复杂、非结构化环境时，往往显得力不从心，就像一个穿着厚重铠甲的武士，难以灵活穿梭在狭窄的空间中。而软机器人凭借其独特的柔性和适应性，逐渐崭露头角。其中，受蚯蚓启发的软机器人更是备受关注，蚯蚓能在地下管道和平面上灵活移动，研究人员希望借鉴其运动原理，开发出性能卓越的软机器人，应用于医疗、工业等多个领域。

然而，目前这类软机器人存在一些问题。一方面，它们的运动模式相对单一，只能在特定的表面或一定直径的管道中爬行，无法像真实蚯蚓那样实现多模态运动，这大大限制了它们的应用范围。另一方面，其运动效率也有待提高。为了解决这些问题，研究人员开展了一项针对蚯蚓启发的多模态气动连续软机器人的研究。该研究成果发表在《Cyborg and Bionic Systems》上。

在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先是建立了蠕动波模型并引入了基于多个蠕动波的衍生重叠连续控制律（DOCCL），通过精确的数学模型和控制律来优化机器人的运动。其次，运用线缠绕传输方法，使机器人各部分的变形能够相互协调。此外，还设计了基于接触力传感的自主避障控制策略，让机器人能够在复杂环境中自主避开障碍物。

研究结果主要包括以下几个方面：

• 平面爬行性能：通过实验测试不同间隔时间对机器人运动的影响，发现在间隔时间为 0.3s、运动周期为 1.2s 时，机器人的最佳平面爬行速度可达 6.65mm/s（36.0×10^-3 bl/s）。利用理论双蠕动波模型绘制的理论位移曲线与实验数据相关性良好，相关系数为 0.98，均方根误差为 1.44。
• 自主避障转向：在转向实验中，机器人依靠压电陶瓷压力传感器检测压力信号。当一侧传感器检测到压力超过阈值时，控制器会控制转向段做出相应动作，使机器人转向另一侧，并且在避障后能重新回到直线运动方向。
• 跨平面爬行性能：将机器人绕中心轴旋转 90° 进行跨平面运动实验，结果表明机器人能够跨越高度在 0 - 15mm 范围内的凸台，实现跨平面运动。
• 管道爬行：对机器人的管道爬行能力进行测试，在间隔时间为 0.3s、运动周期为 1.2s 的条件下，11 个周期后的平均位移为 21.9mm，平均速度为 1.66mm/s，归一化速度为 8.97×10^-3 bl/s。同时发现，通过优化单位结构形成混合横截面，有望提高管道和平面爬行效果。
• 线缠绕传输的作用：对比实验显示，采用线缠绕传输约束后，机器人平面爬行速度提高了 249.5%，管道爬行速度提高了 38.9%。这是因为线缠绕增加了单位的充气压力范围和输出力，减少了滑移现象。
• 与其他机器人的总体性能比较：通过计算运输成本（COT）这一关键指标与其他同类机器人进行比较，结果表明该研究开发的机器人在表面爬行速度上具有明显优势，虽然在管道爬行速度上未超越部分机器人，但总体性能仍较为优越。

研究结论和讨论部分指出，该研究成功开发了一种受蚯蚓启发的多模态气动连续软机器人，通过 DOCCL、线缠绕传输和自主避障控制策略，有效提升了机器人的运动性能和环境适应性。与当前的气动多模态软机器人相比，该机器人具有更优的总体性能，在管道检测、土壤钻探等任务中具有很大的应用潜力。不过，研究也存在一些不足之处，如机器人单元制作过程中采用的手工胶合方式可能导致单元不一致和漏气问题，影响运动效率。未来可通过改进设计，采用非组装的一体 3D 打印技术来解决这些问题，同时可以尝试采用圆形和矩形横截面相结合的分段设计，进一步提升机器人在不同环境中的运动性能。总之，这项研究为软机器人的发展提供了新的思路和方向，有望推动相关领域的进一步发展。