機(jī)器人開展早期多是由連桿、機(jī)電跟編碼器等剛性元件組成，相關(guān)研討集合正在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)跟節(jié)制上。近期，智能資料的不休沖破為機(jī)器人的研討斥地了一條新的途徑。不像鋼鐵等“不魂靈”的資料，智能資料存在必然的“生命”，他們會(huì)對(duì)電、熱、磁、光等外界旌旗燈號(hào)的安慰作出相應(yīng)，從而身體會(huì)變形，發(fā)生蜿蜒、伸長(zhǎng)、扭轉(zhuǎn)等運(yùn)動(dòng)。而且良多智能資料的電阻、電容、磁性跟光導(dǎo)效應(yīng)等正在變形或許遭到外力時(shí)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，存在生成的傳感才能。將智能資料用于機(jī)器人中，可以使機(jī)器人本體存在必然的智能驅(qū)動(dòng)跟傳感才能，正在沒有須要節(jié)制旌旗燈號(hào)的環(huán)境下，便可以自立天運(yùn)動(dòng)，使身體“活”起來，而且可以依附傳感“紀(jì)錄”本人身體的變形跟遭到的外界力等信息。
正在清華大學(xué)孫富春傳授的指點(diǎn)跟撐持下，北京科技大學(xué)副教授郝雨飛跟清華大學(xué)孫富春傳授團(tuán)隊(duì)方斌等成員協(xié)作對(duì)智能資料跟機(jī)器人的聯(lián)合與開展停止了長(zhǎng)篇綜述剖析，正在機(jī)器工程學(xué)報(bào)英文版頒發(fā)論文“AReviewofSmartMaterialsfortheBoostofSoftActuators，SoftSensors，andRoboticsApplications”，從驅(qū)動(dòng)跟傳感兩個(gè)方面對(duì)各種智能資料正在機(jī)器人中的使用停止了系統(tǒng)地先容。
1、智能驅(qū)動(dòng)
1.1電驅(qū)動(dòng)資料
快遞界的智能分揀機(jī)器人小黃人電驅(qū)動(dòng)資料是正在電場(chǎng)的作用下可以發(fā)生形變的資料。正在電驅(qū)動(dòng)資料中，使用比力普遍跟成熟的是介電彈性體（Dielectricelastomer，DE）。如圖1所示，DE普通由兩層柔性電極層跟一層介電層構(gòu)成，介電層夾正在電極層中央。正在不電壓的時(shí)間，介電層不會(huì)變形。當(dāng)施加下電壓時(shí)，兩個(gè)電極層中央的電場(chǎng)會(huì)發(fā)生麥克斯韋應(yīng)力，使介電層正在該力的作用下會(huì)受壓變形，招致縱向厚度削減，橫向面積擴(kuò)展，從而將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。
圖1DE事情原理
DE的這類電致擴(kuò)張效應(yīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人中作為驅(qū)動(dòng)部件。比擬機(jī)電等剛性驅(qū)動(dòng)器，DE結(jié)構(gòu)緊湊，操縱簡(jiǎn)略，經(jīng)由過程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)各類分歧的運(yùn)動(dòng)。好比將圓形DE的外周流動(dòng)，中央揭上磁鐵。施加電壓后它的面積收縮會(huì)興起，斷開電壓后，又會(huì)遭到磁鐵的吸力規(guī)復(fù)本相，應(yīng)用這類往復(fù)運(yùn)動(dòng)可以建造微流體隔膜泵。限定某一個(gè)電極層使它不克不及延展，會(huì)使全部DE驅(qū)動(dòng)正在電場(chǎng)力的作用下蜿蜒，從而發(fā)生扭捏運(yùn)動(dòng)，應(yīng)用這個(gè)特色，可以建造林林總總的仿生機(jī)器人。
機(jī)器人智能AIROBOT，F(xiàn)esto#軟體腳
1.2熱驅(qū)動(dòng)資料
熱驅(qū)動(dòng)資料是對(duì)溫度比力敏感的資料。當(dāng)經(jīng)由過程電流等間接加熱或許紫外光等直接加熱方法把資料加熱到必然溫度后，資料的份子間組成會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，從而招致彈性模量降低或許變形膨脹等。形狀記憶聚合物（Shapememorypolymer，SMP）就是一種當(dāng)加熱溫度跨越玻璃轉(zhuǎn)化溫度后，彈性模量急劇下降的熱相應(yīng)變剛度資料。它的彈性模量最多可以降低數(shù)百個(gè)量級(jí)，是以被普遍用正在機(jī)器人中來轉(zhuǎn)變機(jī)器人的部分剛度，豐碩機(jī)器人的構(gòu)型。應(yīng)用溫度借可以對(duì)其停止編程，使其存在必然的形狀記憶效應(yīng)。如將SMP布置正在折紙機(jī)構(gòu)的樞紐處，當(dāng)加熱后，折紙機(jī)構(gòu)會(huì)自動(dòng)從二維立體折疊到三維布局。經(jīng)由過程編程SMP，使其加熱后從蜿蜒形態(tài)蜷縮，可以驅(qū)動(dòng)自重構(gòu)機(jī)構(gòu)從二維立體機(jī)構(gòu)重構(gòu)到三維機(jī)構(gòu)。當(dāng)編程使其加熱時(shí)蜿蜒，借可以制成微型抓持腳，使抓持腳正在蜿蜒時(shí)包覆并抓取物體，冷卻后因?yàn)閺椥阅Ａ吭龃?，借可以連結(jié)蜿蜒態(tài)將物體鎖住。
圖2基于SMP的機(jī)器人
1.3磁驅(qū)動(dòng)資料
磁驅(qū)動(dòng)資料多是將磁性粒子混入硅橡膠等硬資料的復(fù)合材料。正在磁場(chǎng)的作用下，磁性粒子可以被磁化，發(fā)生無效的磁化曲線，而磁化曲線的標(biāo)的目的跟幅值等也是可以被轉(zhuǎn)變的。當(dāng)將磁相應(yīng)資料制成的驅(qū)動(dòng)器置入磁場(chǎng)中時(shí)，空間漫衍的磁場(chǎng)將跟磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁場(chǎng)跟空間磁場(chǎng)對(duì)齊，從而發(fā)生扭矩，招致膨脹、伸長(zhǎng)跟蜿蜒等變形。經(jīng)由過程轉(zhuǎn)變驅(qū)動(dòng)旌旗燈號(hào)、磁化曲線、資料的外形跟剛度等，可以計(jì)劃出分歧變形模態(tài)的驅(qū)動(dòng)器。因?yàn)榇艌?chǎng)可以穿透年夜規(guī)模的資料，而且可以實(shí)現(xiàn)無纜驅(qū)動(dòng)，磁性驅(qū)動(dòng)器是正在狹小空間下功課的幻想取舍，被普遍用正在微型無拴機(jī)器人中。機(jī)器人智能AIROBOT，2018#清華#并聯(lián)機(jī)器人#軟體腳生果#抓取
如圖3a的仿生微型水母機(jī)器人就是采取磁性復(fù)合材料作為驅(qū)動(dòng)的，正在外界震蕩磁場(chǎng)的作用下，驅(qū)動(dòng)器經(jīng)由過程分歧的擺動(dòng)戰(zhàn)略驅(qū)動(dòng)周圍的流體發(fā)生分歧標(biāo)的目的的活動(dòng)，從而使機(jī)器人可以上浮、下潛等。經(jīng)由過程磁場(chǎng)節(jié)制龐大的磁化曲線，借可以實(shí)現(xiàn)微型機(jī)器人正在分歧的液體跟固體地形之間切換的多模態(tài)運(yùn)動(dòng)，使其正在液體的外部跟概況游動(dòng)，攀登站臺(tái)，正在牢固的概況上滾動(dòng)跟行走，超出障礙物和正在狹小的隧道內(nèi)匍匐等。磁相應(yīng)資料的制備最緊張的是對(duì)磁性粒子的磁化跟編程，普通是將復(fù)合材料置于磁場(chǎng)中來磁化磁性粒子。更加新奇的方式是經(jīng)由過程3D打印去實(shí)現(xiàn)。如圖3c所示，正在打印噴嘴的周圍安插流動(dòng)磁場(chǎng)或許電磁場(chǎng)，當(dāng)打印帶有鐵磁粒子的復(fù)合油墨時(shí)，油墨顛末噴嘴時(shí)便會(huì)磁化磁性粒子，使其沿磁場(chǎng)標(biāo)的目的安插，經(jīng)由過程這類方法可以打印各類龐大磁化曲線的機(jī)器人，使它們正在磁場(chǎng)的作用下發(fā)生各類龐大的特定運(yùn)動(dòng)。經(jīng)由過程這類方法打印出來的接連體機(jī)器人，尺寸可以到達(dá)亞毫米級(jí)別，而且可以正在磁場(chǎng)的引誘下沿隨意率性標(biāo)的目的運(yùn)動(dòng)，比擬線驅(qū)的或許氣動(dòng)的接連體機(jī)器人，這類磁驅(qū)動(dòng)機(jī)器人豈但可以實(shí)現(xiàn)無纜驅(qū)動(dòng)，而且加倍靈巧，是醫(yī)療內(nèi)腔手術(shù)等狹小空間功課的機(jī)器人的一個(gè)前景標(biāo)的目的。
圖3基于磁相應(yīng)資料的機(jī)器人
1.4光驅(qū)動(dòng)資料
與磁驅(qū)動(dòng)近似，光驅(qū)動(dòng)也存在可近程節(jié)制、相應(yīng)疾速、微小型化等特色。光驅(qū)動(dòng)資料平常是正在硅膠、液晶彈性體等聚合物中增添對(duì)光比力敏感的填充物去造成，正在光照的環(huán)境下，它們可以蜿蜒、膨脹或許收縮等，而且這些變形皆是可逆的。轉(zhuǎn)變光的波長(zhǎng)、強(qiáng)度跟映照工夫等皆可以影響這些驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)，從而對(duì)光驅(qū)動(dòng)機(jī)器人編程，使它們實(shí)現(xiàn)期冀的運(yùn)動(dòng)。光照也可以誘發(fā)光化學(xué)反應(yīng)，從而供給能量使機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。圖2-10a中的微型馬達(dá)就是應(yīng)用氯氧化鉍（Bismuthoxyiodide，BiOI））作為光催化劑引發(fā)的系列氧化跟復(fù)原反映去驅(qū)動(dòng)本體自發(fā)行進(jìn)的。BiOI可以被包羅藍(lán)光跟綠光等系列可見光激活。微型馬達(dá)由兩個(gè)半球構(gòu)成，一個(gè)半球中概況籠罩金屬，此外一個(gè)半球中概況籠罩BiOI，正在可見光映照下，BiOI中的電子被吸引到金屬層，使負(fù)電荷正在金屬層群集，而BiOI半球則群集因水被氧化而發(fā)生的H+離子。為了均衡金屬半球的負(fù)電荷，H+則從BiOI半球遷徙到金屬半球，然后跟電子產(chǎn)生復(fù)原反映。H+的遷徙隨同著水分子到金屬半球的電滲入，從而鞭策微型馬達(dá)行進(jìn)。將偶氮苯衍生物疏散白1丙烯酸酯增添到液晶網(wǎng)格（Liquidcrystalnetwork，LCN）中，造成的聚合物正在水中時(shí)外部的水份會(huì)正在光熱作用下解吸，布局消溶脹，應(yīng)用這類原理可以實(shí)現(xiàn)類花朵的布局正在光照的時(shí)間自動(dòng)收攏，無光照時(shí)接收水份溶脹自動(dòng)綻放。將炭黑摻入SMP中，經(jīng)由過程3D打印打印出的花朵顛末編程后也可以正在光熱作用下使花朵遇光之后會(huì)自動(dòng)綻開。將光熱單丙烯酸偶氮苯衍生物摻入LCN，它們會(huì)接收特定波長(zhǎng)的光，然后經(jīng)由過程異構(gòu)化作用開釋熱量，開釋的熱量會(huì)招致熱膨脹。經(jīng)由過程布局節(jié)制熱膨脹部位，可以使蜿蜒的布局正在光照下蜷縮。圖4d就是應(yīng)用這類原理建造的微型搬用機(jī)器人，經(jīng)由過程光照節(jié)制腿跟腳的蜿蜒，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)貨色的抓取、搬運(yùn)跟送達(dá)等各類龐大的使命。
圖4基于光相應(yīng)資料的機(jī)器人
2智能傳感
2.1變阻傳感器
變阻傳感器可以將外界旌旗燈號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻的變更，依據(jù)電阻的根本公式R=ρL/S（R為電阻，ρ為電阻率，L為電阻的長(zhǎng)度，S為電阻的截面積）可得，當(dāng)電阻的L跟S轉(zhuǎn)變時(shí)，電阻值也會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。是以變組傳感器的基本原理是將外界變形、受力等信息轉(zhuǎn)換成L跟S的變更，進(jìn)而使電阻值產(chǎn)生轉(zhuǎn)變。
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)分歧旌旗燈號(hào)如拉伸變形、法向力跟剪切力等的反應(yīng)，變組傳感器平常須要將分歧的導(dǎo)電資料計(jì)劃為分歧的布局，應(yīng)用布局正在特定力下的特定變形去反應(yīng)信息。正在各類導(dǎo)電資料中，液態(tài)合金由于其導(dǎo)電性下、液態(tài)無定形等特色被普遍用來建造各類變組傳感器。常用的液態(tài)合金材料次要有EGaIn跟GaInstan那兩種，它們正在常溫下便可以顯現(xiàn)液態(tài)。將液態(tài)合金注入到各類微流體腔講中，微流體腔講正在外界安慰下的變形便會(huì)招致液態(tài)合金電阻的變更，從而反應(yīng)外界旌旗燈號(hào)。如圖5a所示的液態(tài)合金變阻傳感器，它有三層腔道構(gòu)成，上面兩層呈正交的蜿蜒蛇行，正在蒙受x跟y標(biāo)的目的拉伸時(shí)絕對(duì)應(yīng)的電阻便會(huì)增長(zhǎng)，從而可以檢測(cè)軸向拉伸，下面一層為圓環(huán)狀，正在蒙受法向緊縮時(shí)電阻會(huì)增長(zhǎng)，從而可以檢測(cè)法向應(yīng)力。圖5b所示的傳感器構(gòu)型，正在彼此自力的液態(tài)合金腔道下面安排一個(gè)剛性受力桿，正在分歧標(biāo)的目的力的作用下，剛性桿會(huì)沿受力標(biāo)的目的緊縮分歧的腔道，從而使該腔道的電阻值產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，以是該傳感器可以檢測(cè)分歧標(biāo)的目的的力?；诮频脑?，圖5c的傳感器將液態(tài)合金腔道彼此呈90°圓周安插正在崛起的四處，可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)法向力跟剪切力等功用。正在法向緊縮時(shí)，一切腔道的電阻值皆發(fā)生一致的變更，而正在正在剪切力作用下，一個(gè)腔道的電阻減小，對(duì)立面腔道的電阻增長(zhǎng)，豈但可以檢測(cè)檢測(cè)剪切力的巨細(xì)，借可以檢測(cè)力的標(biāo)的目的。
圖5基于液態(tài)合金的變組傳感器
2.2變?nèi)輦鞲衅?/p>
變?nèi)輦鞲衅魇菍⑼饨珈浩鞜籼?hào)如變形跟壓力等轉(zhuǎn)換成電容變更的傳感器。依據(jù)檢測(cè)旌旗燈號(hào)的分歧電容傳感器可以計(jì)劃為林林總總的外形，而正在機(jī)器人使用中較為普遍的是平行板電容器。平行板電容器的布局普通為兩個(gè)電極板之間夾一層介電層。依據(jù)平行板電容的公式（C為電容，為相對(duì)介電常數(shù)，為絕對(duì)介電常數(shù)，S為兩個(gè)平行板之間的堆疊面積，d為平行板之間的距離）可知，當(dāng)S或許d轉(zhuǎn)變時(shí)，平行板的電容也會(huì)跟著轉(zhuǎn)變，是以那類傳感器的計(jì)劃原理是經(jīng)由過程被檢測(cè)旌旗燈號(hào)轉(zhuǎn)變S或許d，從而轉(zhuǎn)變電容。
分揀機(jī)器人哪個(gè)品牌性價(jià)比高應(yīng)用平行板電容的原理可以實(shí)現(xiàn)單標(biāo)的目的應(yīng)變跟法向力等單維旌旗燈號(hào)的反應(yīng)。圖6a的傳感器是應(yīng)用變?nèi)輦鞲衅鳈z測(cè)應(yīng)變信息，經(jīng)由過程將可延展的導(dǎo)電纖維布粘接正在硅膠介電層的上上面，當(dāng)拉伸傳感器時(shí)，傳感器的面積會(huì)增長(zhǎng)，中央硅膠介電層的厚度也會(huì)減小，從而招致電容增長(zhǎng)。正在法向壓力的作用下，平行板電容之間的距離減小，招致電容增長(zhǎng)，是以可以用來檢測(cè)法向壓力。因?yàn)橹醒虢殡妼拥暮穸容^薄，若是采取實(shí)心的硅橡膠作為介電層的話，靈敏度跟精度皆比力低，是以會(huì)正在這類傳感器的介電層中增添良多微結(jié)構(gòu)。與實(shí)心布局比擬，微結(jié)構(gòu)豈但可以使傳感器正在遭到一樣壓力時(shí)位移增大，借因?yàn)椴季终趬毫ψ饔孟卤舜藬D壓，增長(zhǎng)了等效介電常數(shù)，是以大大提高了這類傳感器的精度跟靈敏度。這些微結(jié)構(gòu)中，存在代表性的是經(jīng)由過程刻蝕硅片加工而成的金字塔布局，單個(gè)微結(jié)構(gòu)的尺寸最大僅為6μm。將這類微結(jié)構(gòu)夾正在氧化銦錫涂層的聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜電極中（IndiumtinoxidecoatedPET，ITO/PET），便可以制成超薄的電容傳感器，可是那類傳感器加工成本較下。也可以經(jīng)由過程正在硅膠中增添制孔劑去制造多孔介電層。如圖6c所示的傳感器，經(jīng)由過程正在PDMS中增添直徑可以小到2μm聚苯乙烯顆粒，等硅膠凝結(jié)后，用二甲基甲酰胺將聚苯乙烯顆粒溶掉便可以失掉平均的多孔介電層。那類工藝借可以用NH4CO3、糖等可氣化或可溶物體去作為制孔劑。經(jīng)由過程等離子概況處置懲罰預(yù)拉伸后PDMS上概況，開釋后因?yàn)樯细艣r跟下概況規(guī)復(fù)水平分歧，也可以制成微波紋狀的介電層。
圖6單維電容傳感器
2.3磁性傳感器
磁性傳感器是將外力跟變形等信息轉(zhuǎn)化為磁場(chǎng)變更的傳感器。磁場(chǎng)傳感器普通有兩個(gè)緊張部門構(gòu)成：磁性物體跟霍爾傳感器。磁性物體普通為永久磁鐵或許帶磁性的硬物資等，受外力或許變形時(shí)，它們周圍的磁場(chǎng)會(huì)響應(yīng)的轉(zhuǎn)變，而磁場(chǎng)的變更經(jīng)由過程霍爾傳感器去停止檢測(cè)。如圖7a的軟體磁性皮膚，將磁性微粒子混淆到硅膠中制成薄膜，正在薄膜底面安插可以檢測(cè)磁場(chǎng)的磁力計(jì)，當(dāng)薄膜遭到部分壓力時(shí)，響應(yīng)部位的磁性粒子會(huì)彼此擠壓，招致該部位的磁場(chǎng)變更，這個(gè)傳感器布局簡(jiǎn)略，可是可以檢測(cè)接連的部分變形信息。圖7b經(jīng)由過程將磁鐵安插正在霍爾傳感器的正上方，正在法向力或許剪切力的作用下，磁鐵瀕臨或許偏離霍爾傳感器，招致霍爾傳感器檢測(cè)出分歧的磁場(chǎng)變更，從而對(duì)力的巨細(xì)跟標(biāo)的目的停止反應(yīng)，這類傳感器可以被用作機(jī)械手的觸力覺反應(yīng)。應(yīng)用一樣的原理可以這類傳感器制成陣列安插于機(jī)械手的指尖部位，從而將各個(gè)面的受力巨細(xì)跟標(biāo)的目的映射，取得物體的三維外形等信息。除可以檢測(cè)力的巨細(xì)跟標(biāo)的目的中，磁性傳感器也可以用來檢測(cè)蜿蜒等變形信息。
圖7磁性力傳感器
分揀機(jī)器人涉及領(lǐng)域2.4光導(dǎo)傳感器
光導(dǎo)傳感器是利用光旌旗燈號(hào)的變更去檢測(cè)外界力跟變形等信息的傳感器。光導(dǎo)傳感器普通由發(fā)射端、接管端跟流傳介質(zhì)構(gòu)成，發(fā)射端收回光旌旗燈號(hào)，光旌旗燈號(hào)顛末流傳介質(zhì)流傳到接管端，當(dāng)流傳介質(zhì)遭到外界或許拉伸時(shí)會(huì)變形，招致光的折射率或許強(qiáng)度產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，從而可以經(jīng)由過程接收端吸收到的光旌旗燈號(hào)去檢測(cè)力跟變形等信息。經(jīng)由過程流傳介質(zhì)的計(jì)劃，可以使傳感器檢測(cè)分歧的旌旗燈號(hào)。圖8a的應(yīng)變傳感器是應(yīng)用管狀模具澆筑PDMS實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)镻DMS存在很好的延展性，成型的PDMS波導(dǎo)管可以打結(jié)，也可以拉伸，當(dāng)波導(dǎo)管被拉伸時(shí)，會(huì)因折射率的轉(zhuǎn)變使光旌旗燈號(hào)損失，將它安插正在人的喉嚨處時(shí)，可以檢測(cè)人的措辭跟呼吸等信息。圖8b所示的觸覺傳感陣列是由硬資料突出物陣列、光發(fā)射器跟成像體系構(gòu)成，光由發(fā)射器照射到硬突出物中，當(dāng)分歧的突出物單位正在外力作用下擠壓變形時(shí)，響應(yīng)部門光的強(qiáng)度會(huì)發(fā)生變化，這類光強(qiáng)度變更終極經(jīng)由過程成像體系映射為應(yīng)力求。圖8c所示的壓力傳感陣列由光源、力傳感區(qū)跟成像區(qū)三部門構(gòu)成。力傳感區(qū)的每一個(gè)單位由一根射入光纖、三根吸收光纖跟一個(gè)示蹤物構(gòu)成，光由攝入光纖照射到示蹤物概況，然后折射到吸收光纖中，示蹤物流動(dòng)正在彈性資料中。當(dāng)蒙受外力時(shí)，示蹤物的會(huì)產(chǎn)生位移，從而使吸收光纖的光強(qiáng)度產(chǎn)生轉(zhuǎn)變，經(jīng)由過程三角測(cè)量原理，可以取得外力的巨細(xì)跟標(biāo)的目的。圖8d所示的傳感器由LED、可拉伸硅膠波導(dǎo)管跟光電二極管構(gòu)成，LED收回的光顛末波導(dǎo)管后由光電二極管吸收，波導(dǎo)管被拉伸后會(huì)轉(zhuǎn)變光的折射率，將波導(dǎo)管漫衍正在氣動(dòng)軟體驅(qū)動(dòng)器的上、中、下三個(gè)部門，可以經(jīng)由過程它們的延長(zhǎng)形態(tài)反應(yīng)手指的變形信息，應(yīng)用這個(gè)原理，制成的軟體腳可以經(jīng)由過程觸摸物體去鑒識(shí)物體的外形跟紋理等信息。
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