基于壁虎黏着力的海星爬行机器人

基于壁虎黏着力的海星爬行机器人

该论文于2023年7月4日被机器人和前沿收录



多年来，仿生软机器人领域的努力已经催生出能够模拟自然动物运动特征的移动系统。这包括结合多种生物的机制以进一步改善运动。在这项工作中，我们寻求通过结合两种独立的机制来改善软式两栖机器人的运动：海星运动步态和壁虎粘附。具体来说，我们展示了一款受海星启发的机器人，其粘附表面受壁虎启发，能够在各种表面上爬行。它由柔软且可拉伸的弹性体组成，有五条肢体，由气动驱动。受壁虎启发的粘附可在潮湿和干燥的表面上提供额外的抓地力，从而使机器人能够在 25° 的斜坡上攀爬并静态保持在 51° 的斜坡上。



1 简介

近几十年来，水下机器人运动研究不断增加，实现了与环境的成功交互，从而实现基于运动、控制密集型的操作。深海探索、拾取和放置大而重的物体、管道检查和维护以及矿产资源开采等任务是水下机器人广泛使用的一些领域。大多数水下机器人都有刚性机身，并由电动机或液压回路驱动，这满足了前面提到的任务对移动性和灵活性的要求。然而，其他相关的水下任务仍然是手动完成的，需要更灵活的步态才能准确完成，例如生物样本采集、考古探索或水下探索其他无法进入的区域。这些任务需要一个柔软、灵活的机器人，能够在水下的不同表面上机动。

海洋生物已经进化出多种步态和运动技巧以及灵活的结构，使它们能够以不同且有效的方式移动。这些技术得到了广泛的研究，并为不同类型的水下移动软机器人提供了灵感，如游泳者、爬行者或这些步态的组合，如游泳和爬行。

受海星运动方式（图 1A）的启发，包括爬行和地面弹跳，人们进行了许多人的尝试来制造海星爬行器。然而，这些研究都没有考虑到管足（足）（图 1B），它们是棘皮动物的器官，具有感知能力、有助于进食、使海星能够抓住各种表面并有助于其运动。最近的研究试图将管足整合到受海星启发的机器人中，使用磁场进行驱动和粘附。

图 1. ( A–E)生物灵感图像(A)普通海星 。(B)海星的管足。(C)大壁虎(Gekko gecko)的腹侧视图。(D)大壁虎的脚，显示带有刚毛的扫描仪阵列。(E)微尺度刚毛阵列(F)带有壁虎贴片的机器人肢体。(G)基于壁虎粘附的海星 (GASS) 爬行机器人。(H) GASS 机器人爬上 25° 的斜坡。


管足的替代方法是加入基于壁虎黏附力的微结构。壁虎蜥蜴（图 1C）的脚上有纳米纤维结构（图 1D、E），借助微弱的范德华力，它们可以黏附在多种类型的表面上而不产生任何粘性，从而使它们能够垂直行走，甚至倒立行走。受此机制的启发，人们已制造出许多具有不同程度抽象或仿生性的粘合表面，例如蘑菇形微结构、微制造楔子和柱状微结构，用于软夹持器和爬壁机器人。

为了提高海星机器人的运动能力，在本文中，我们提出了一种结合肢体运动和表面粘附的软体海星机器人，用于爬行。我们的基于壁虎粘附的海星 (GASS) 爬行机器人是一种气动软体机器人，它将海星启发的肢体伸展和壁虎启发的粘附相结合，能够在各种材料、干燥和潮湿的表面甚至倾斜的表面上爬行（图 1F-H）。在本文中，我们介绍了 GASS 爬行机器人的设计、制造和特性，包括制造和集成壁虎启发的粘性足贴以模仿海星管足和每条腿的软伸展执行器。我们在有粘性和无粘性的干燥和潮湿条件下在玻璃、丙烯酸和不锈钢表面上测试了足贴。激活粘性贴片可减少在倾斜表面上的滑动。此外，我们还评估了 GASS 爬行机器人在潮湿和干燥条件下在丙烯酸表面上的性能。在所有实验测试条件下，激活受壁虎启发的粘性脚显著改善了运动性能。

2 设计与制造

2.1 设计概述

该机器人采用五肢软体海星设计，具有两栖爬行能力。为了模仿海星的爬行动作，机器人被编程为具有两种驱动形式 - 一种可以使机器人附着在表面和从表面分离，另一种可以使机器人向前移动。为了拉/推机器人实现运动，每个肢体都由这两种驱动形式的组合组成。肢体的尖端由气动可扩展壁虎贴片组成。当空气被泵入执行器时，贴片会充气并接触其下方的表面。内部气压施加足够的压力使贴片附着在表面，从而为机器人提供所需的附着力。当释放内部气压时，贴片就会与表面分离。

为了使粘附致动器在分离时向前运动，肢体中加入了线性致动器。该致动器由一个气动伸缩圆柱体组成，圆柱体上包裹着不锈钢丝网。该丝网限制了圆柱体的半径。当空气被泵入圆柱体时，其膨胀主要沿着腿部轴线线性进行，使肢体能够向前伸展。

这两种运动的组合使得每个肢体能够伸展并附着到特定点，然后将机器人拉向该点或将机器人推向该点，从而使机器人能够进行爬行运动。肢体以均匀的角度分布连接到机器人的主体，模仿五肢海星的结构（图 1G），模仿最常见的海星物种。

2.2 制造2.2.1 Gecko 贴片制作

我们实施了一个多步骤的制造工艺，以便以经济高效、快速和简单的方式制造出这种受壁虎启发的柔软粘性贴片。首先，用激光从丙烯酸板上切割出一个尺寸为 150 × 100 × 0.7 毫米的两部分模具。然后，将衍射光栅（Rainbow Symphony ®，500 线/厘米）连接到模具的下半部分，并使用上半部分进行固定。将夹具连接到模具的侧面以将其固定到位。接下来，将 Illuseffects ®的两部分高强度室温硫化 (RTV) 硅胶以 10:1 的浓度比混合。通过真空脱气去除所困气泡。之后，将硅胶倒入模具中，并再次在真空下脱气 30 分钟以去除气泡。然后将其在室温下固化 24 小时，之后手动将其从模具中剥离以获得壁虎贴片（图 2A）。

图2。（A） 壁虎胶贴片制作工艺。（B） 衍射光栅的光学和原子力显微镜（AFM）图像。（C） 未图案化硅胶表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（D） 图案化硅胶表面的SEM图像。（E） 图案化硅胶表面的AFM图像。


使用原子力显微镜（AFM）确认了衍射光栅上半球的微观图案。每个半球的高度为1μm，底部的半径为1.87μm（图2B）。普通硅胶（图2C）和壁虎贴片（图2D、E）的扫描电子显微镜和原子力显微镜图像显示，衍射光栅上的图案成功地印在硅胶表面，从而形成壁虎贴片。RTV硅树脂流入半球之间的间隙，形成高度为1μm、基底半径为1.87μm的近似半球形结构。
为了评估壁虎贴片的疏水特性，对3个不同的样品进行了接触角测量，得到的平均角度为114.239°，标准偏差为5.89°。
2.2.2软线性执行器制造
线性执行器是基于Calderon等人（2016）提出的蚯蚓启发的软机器人设计的。它的制造分两步完成。首先，使用Ecoflex®00-10制作了一个柔软的中空圆柱体。然后用不锈钢丝网包裹软圆柱体。其目的是限制致动器的外半径，以便当空气被泵入气缸时，它仅在纵向方向上膨胀，同时保持大致恒定的径向尺寸。
在制造过程中，使用Formlabs®的灰色树脂在Formlabs™Form3 3D打印机中3D打印模具。将1:1浓度的Ecoflex®00-10混合并倒入模具中，在真空下脱气30-40分钟，以提取所有捕获的气泡。随后，将模具放入80°C的烘箱中6小时，以固化软圆柱体。一旦完全固化，将圆柱体从模具中取出，使用直径为0.5毫米的不锈钢丝，手动将双螺旋钢丝网缠绕在圆柱体上，每圈之间的距离为2-3毫米。然后手动用一层薄薄的Ecoflex®00-10覆盖网包裹的软圆柱体进行密封。接下来，将一根直径为5毫米的硅胶管插入圆柱体中，并用Ecoflex®00-10密封。然后将圆柱体插入另一个3D打印模具中，在真空下脱气15分钟以去除任何气泡，然后将其放入80°C的烤箱中4小时以固化。固化后，将其脱模以获得软气动线性致动器（图3A）。

图3。（A） 软致动器的制造步骤。（B） 机器人脚的制造步骤。（C） 软肢的制作工艺。


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