航空發(fā)動(dòng)機(jī)有許多復(fù)雜彎曲的管道，定期巡檢這些管道，依靠的是管道機(jī)器人。以剛性材料制成的機(jī)器人“塊頭大”，無法進(jìn)入微細(xì)管道，但一種靠智能材料驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，有望填補(bǔ)微細(xì)管道巡檢探測(cè)設(shè)備的短缺。
近期，清華大學(xué)機(jī)械工程系現(xiàn)代機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)器人化裝備實(shí)驗(yàn)室的科研團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種以新型軟性材料介電彈性體致動(dòng)器和基于智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的錨定單元作為人造肌肉和傳動(dòng)裝置，構(gòu)建的蚯蚓仿生管道機(jī)器人。相關(guān)研究論文發(fā)表于國(guó)際期刊《科學(xué)·機(jī)器人》。
蚯蚓通過肌肉和剛毛的配合使身體蠕動(dòng)，在窄小的環(huán)境中來去自如。由新型軟性材料構(gòu)建的人造肌肉具有可控收縮和舒張變形特性，智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)的作用則類似于蚯蚓腹部的剛毛，使機(jī)器人在微細(xì)和彎曲的復(fù)雜管道內(nèi)高速“蠕動(dòng)”。
人造肌肉在外界刺激下可變形
目前已研發(fā)的管道機(jī)器人有輪式、腿足式、履帶式等，其電機(jī)、齒輪、傳動(dòng)桿件等主要構(gòu)件使用的是剛性材料，適用于大口徑管道巡檢。當(dāng)涉及直徑小于1厘米的微細(xì)管道時(shí)，其尺寸不能按比例縮小。
而該團(tuán)隊(duì)研發(fā)的蚯蚓仿生管道機(jī)器人僅比常見的蚯蚓體型稍粗，機(jī)器人重量只有2.2克、長(zhǎng)4.7厘米、直徑不到1厘米。與蚯蚓由若干小體節(jié)組成稍有不同的是，該管道機(jī)器人由3部分拼裝而成，分別為延伸單元、錨定單元和磁單元。
論文通訊作者、清華大學(xué)機(jī)械工程系副教授趙慧嬋告訴科技日?qǐng)?bào)記者，實(shí)現(xiàn)管道機(jī)器人尺寸小型化的關(guān)鍵在于智能材料的選取和制備。
該機(jī)器人的延伸單元是一種柔軟的人造肌肉。針對(duì)剛性材料無法縮小等問題，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將彈性體軟材料和柔性電極材料層層交替堆疊卷繞，制備成機(jī)器人的人造肌肉。
趙慧嬋介紹，采用這種方式制備的人造肌肉十分柔軟，具有高功率密度、長(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)，其智能性體現(xiàn)為在外界(電場(chǎng))刺激作用下可變形，能夠在彎曲管道中被動(dòng)適應(yīng)管道曲率。此外，利用人造肌肉獨(dú)有的可控收縮和舒張變形特性，機(jī)器人可在管道中快速“蠕動(dòng)”。
避免軟性材料黏性影響運(yùn)動(dòng)速度
“蚯蚓的蠕動(dòng)行為給了研究團(tuán)隊(duì)很大的啟發(fā)。”論文第一作者、清華大學(xué)機(jī)械工程系博士后湯超表示，為使管道機(jī)器人真正動(dòng)起來，除了上文所述由人造肌肉構(gòu)成的延伸單元，另一個(gè)關(guān)鍵要素是機(jī)器人的錨定單元。
為了制造錨定單元，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過一番討論研究，決定采用一種專門制作微小材料的加工技術(shù)——智能復(fù)合材料微結(jié)構(gòu)技術(shù)。“基于該技術(shù)，研制人員通過激光切割以及熱壓成形工藝，設(shè)計(jì)制造了一種特殊的剛性組件，它密密麻麻地附著于延伸單元底部，可使機(jī)器人高效移動(dòng)。”湯超說。
通過人造肌肉和剛性組件，使管道機(jī)器人像蚯蚓一樣“蠕動(dòng)”的物質(zhì)基礎(chǔ)已經(jīng)具備。但是，管道機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景決定了其需要在多介質(zhì)、多材質(zhì)、變管徑的復(fù)雜管道內(nèi)，按照一定的速度進(jìn)行探測(cè)。那么，該機(jī)器人的移動(dòng)速度會(huì)受到材料哪些方面因素的影響呢？
趙慧嬋介紹，多次實(shí)驗(yàn)表明，在高頻的驅(qū)動(dòng)下，軟性材料的黏性會(huì)阻礙自身的變形幅度，并且使得變形與驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間形成一個(gè)很小的時(shí)間差；而共振的特性可以放大變形的幅度。“我們通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率和相位，來匹配和適應(yīng)材料的黏性、慣量、彈性等特性，從而避免黏性帶來的不利影響，發(fā)揮共振帶來的增益效應(yīng)。”趙慧嬋說。
研究人員對(duì)機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性做了建模和分析，對(duì)軟性材料驅(qū)動(dòng)的一些特性例如黏性、共振特性等，進(jìn)行了調(diào)控和利用，最終實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在亞厘米大小管道中各方向的快速運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，機(jī)器人以約100赫茲的頻率“蠕動(dòng)”時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度可以保障探測(cè)效率。
據(jù)悉，由新型軟性材料構(gòu)建而成的人工肌肉和智能復(fù)合微結(jié)構(gòu)，除了用于制造微型管道檢測(cè)機(jī)器人以外，還可以廣泛應(yīng)用于各類微小型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和傳動(dòng)，例如微型飛行器、微型地面移動(dòng)機(jī)器人等。趙慧嬋表示，這款管道機(jī)器人目前在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化方面面臨的挑戰(zhàn)，包括制備工藝的規(guī)模化和穩(wěn)定性問題、智能材料與結(jié)構(gòu)本身的服役壽命等。
趙慧嬋表示，這款管道機(jī)器人，將來有望在航空發(fā)動(dòng)機(jī)管路檢修等領(lǐng)域發(fā)揮作用。“當(dāng)前的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)檢查方法非常耗時(shí)，依賴于高技能的工程師。研究團(tuán)隊(duì)希望這種依靠智能材料驅(qū)動(dòng)的‘以柔代剛’的機(jī)器人，能在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)管道中進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)將沿途的所有圖像發(fā)回，以節(jié)省工程師的時(shí)間和精力。”她說。(本報(bào)記者 唐 芳)