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在软机器人研究中，其结构完整性不足和运动路径受限等问题突出。研究人员开展多材料设计和打印框架研究。结果显示该框架能协同软硬材料优势，机器人可适应多种地形。这为软机器人用于现实环境提供了有效途径。
在科技飞速发展的当下，机器人领域不断推陈出新，软机器人凭借独特优势崭露头角。它就像科幻电影里那些能灵活穿梭于复杂环境、与人类安全互动的神奇机器。软机器人以其出色的弹性和抗冲击性，在诸如废墟搜救、狭小空间作业等场景中展现出巨大潜力，能轻松应对复杂多变的环境。
不过，软机器人也面临诸多挑战。其柔软的特性虽然赋予了它良好的适应性，但却导致结构不够稳定，运动时就像没有骨架的 “软体动物”，难以精准控制。而且传统的软机器人在运动速度和效率方面表现欠佳，就像拖着沉重的步伐前行，难以满足实际需求。此外，现有的驱动方式也存在诸多弊端，比如气动驱动虽能实现基本运动，但速度和精度都不尽人意；其他如燃烧驱动、形状记忆合金驱动等，又面临着可控性差、效率低和安全性不足等问题 。在这样的背景下，开展相关研究以突破软机器人的发展瓶颈迫在眉睫。
来自塔夫茨大学（Tufts University）和伍斯特理工学院（Worcester Polytechnic Institute）的研究人员积极投身于软机器人的研究中，致力于解决这些难题。他们提出了一种多材料设计和打印框架，将经典机构设计理念融入软机器人领域，通过巧妙地结合软、硬材料的特性，试图为软机器人的发展开辟新的道路。研究结果表明，这种框架能有效提升软机器人的性能，使其在多种地形上都能灵活运动，展现出了良好的应用前景。该研究成果发表在《Nature Communications》上，为软机器人领域的发展注入了新的活力。
研究人员开展此项研究主要运用了以下几种关键技术方法：首先是多材料熔融沉积建模（FDM）技术，通过配备多个挤出机的工具更换器，将不同邵氏硬度的热塑性聚氨酯（TPU）融合成一体，实现了在统一几何结构中结合软、硬材料；其次是有限元分析（FEA），用于模拟和分析机器人结构的力学性能，如位移差异、应力分布等；此外，还运用了图像轨迹跟踪技术，通过对机器人运动过程的视频记录和分析，获取其轨迹数据，进而对比理论模型与实际运动的差异。
材料界面
材料之间的有效结合对机器人的性能至关重要。研究人员通过实验探究了不同材料界面的特性，对比了直连接、燕尾连接和指形连接三种方式。实验发现，邵氏硬度较低的材料应变能力更强，而较高硬度的材料则能承受更大的应力 。多材料拉伸测试样本整体表现出弹性行为，尽管部分单一材料呈现塑性行为。直连接由于接触面积小、缺乏机械锁定，在较低应力下就会分离；燕尾连接和指形连接虽然性能相近，但都优于直连接。综合考虑，在后续实验中选择了直连接和硬度差异最大的材料组合（75D/85A） ，因为其能满足循环运动的要求。
多材料机制驱动软混合四足机器人
研究人员为陆地四足机器人开发了四杆运动机构。该机构通过连续旋转的曲柄驱动，带动摇杆和连接连杆运动，从而实现腿部特定轨迹。在设计过程中，通过改变材料硬度来调整部件的柔顺性，关节部分采用较软的 TPU 材料（85A、95A），连杆部分则使用较硬的材料（75D、95A）。利用有限元分析对不同材料组合进行了挠度模拟，并制造了三种不同配置的腿部机构进行实验。机器人主体采用整体式设计，结合了不同硬度的 TPU 材料，以平衡灵活性和结构强度 。同时，在机器人中集成了电子元件和编码器，实现了对电机的闭环控制。
轨迹分析
研究的主要目标是让机器人腿部实现类似反向 D 形的轨迹，以减少地面摩擦力，提高运动效率。通过运动学分析得出了连杆运动的解析表达式，用于确定腿部端点（即脚）的位置。但由于软关节的弹簧常数和阻尼效应，理想模型无法完全反映实际运动情况。因此，研究人员又进行了图像轨迹跟踪和有限元分析。结果表明，实际轨迹在形状上与理论轨迹较为吻合，但较硬的关节（95A）会导致轨迹偏差，并且增加关节刚度会减小轨迹的水平范围，而连杆的柔软度对水平范围影响较小。
运动测试
为研究腿部机构中不同柔顺性（多材料组合）对机器人运动的影响，研究人员进行了运动测试。他们在四足机器人上采用了小跑步态，测试了五种不同的腿部机构，同时保持机器人主体一致。结果发现，材料组合直接影响运动的平滑度，较软的材料能有效降低脚部和机器人质心的垂直运动幅度，提高运动速度并减少垂直运动范围。此外，研究人员还测试了不同主体材料对运动动力学的影响，发现较软的机器人主体运动更平稳，质心振荡更小。通过有限元模拟分析了主体几何形状对变形和角度变化能力的影响，得出需要在支撑和释放之间找到平衡的结论。
冲击抗性
研究人员制造了刚性版本的机器人，与软机器人进行压缩测试对比，以验证软混合机器人的抗冲击性能。结果显示，软机器人在受到压缩时，变形主要发生在软质部分，能够承受较大压力且仅发生弹性变形，在压力释放后可恢复原状；而刚性机器人则出现了不可逆的塑性变形和断裂。这表明软混合机器人在几何结构上保留了软机器人的抗冲击特性。
演示
研究人员在多种现实场景中对四足机器人进行了测试，包括在不同地形（如土壤、岩石、沙地等）上运动，以及展示其爬坡能力和结构耐久性（让汽车碾压机器人底盘）。结果表明，机器人的运动机构能实现不同轨迹，整体结构的软角度变化能力使其在各种地形上都具有良好的适应性。此外，通过更换高容量电池测试机器人的续航能力，发现其可在单次充电后行驶约 250 米（约为身体长度的 2500 倍），证明了该研究框架在实际应用中的潜力。
在研究结论部分，该多材料设计和打印框架为软机器人的发展提供了新的思路和方法，成功克服了传统软机器人的部分局限性，提升了其在复杂环境中的运动性能和适应性，使得软机器人更接近实际应用。在讨论部分，研究人员也指出了研究存在的局限性，如传统电子元件与软机器人设计的集成问题、材料性能对机器人应用环境的限制等，并对未来研究方向提出了展望，包括采用柔性电子元件、优化材料性能、提高机器人运动能力等，为后续研究指明了方向。这项研究成果不仅为软机器人领域的发展做出了重要贡献，也为相关领域的研究人员提供了宝贵的参考，有望推动软机器人在更多实际场景中的应用。
