Programmable Telescopic Soft Pneumatic Actuators for Deployable and Shape Morphing Soft Robots
本文介绍了可编程伸缩软体气动执行器（PTSPAs），这是一类能够实现轴向扩张和形状变形的参数化软体执行器，用于可部署机器人，并通过系统的设计探索进行了验证，并在能够适应受限空间的四足机器人中得到了演示。
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想象一下一种不需要由刚性金属零件或复杂齿轮构建，而是由可以拉伸、弯曲和改变自身形状的柔软、柔韧材料制成的机器人。这就是软体机器人技术的愿景，该领域旨在创造能够穿行于传统机器人会卡住或损坏的狭窄且不可预测的空间中的机器。与依赖固定关节和电机的标准机器不同，软体机器人利用气压来改变形状，使其能够挤过狭窄的缝隙，抓取娇嫩物体而不将其压碎，并使身体适应周围的环境。然而，设计这些机器一直是一个难题。由于软体材料几乎可以呈现无限种形状，工程师们一直难以找到一种可靠的方法来预测特定设计将如何运动或其强度会有多大。这种可能性的巨大数量使得测试每一种选项变得异常困难，导致研究人员缺乏构建更好、更通用软体机器物的清晰蓝图。
为了解决这个问题，来自澳大利亚的一个研究团队开发了一种新型的软体机器人部件，称为可编程伸缩式软体气动执行器。可以将这个装置想象成一个灵活的、可充气的管子，当注满空气时，它可以变得长得多，就像伸展节段的望远镜一样，但它完全是由类似橡胶的软质材料制成的。研究人员创建了一个计算机系统，充当设计生成器，允许他们通过输入简单的指令来创建这些管子的定制版本。该系统不再是手动绘制每一条曲线，而是使用一套可调节的规则来塑造执行器的内部结构。这种方法让他们能够快速测试数百种不同的设计，以观察哪些设计能拉伸得最长，哪些能在特定方向弯曲，或者哪些能变得足够坚硬以推挤墙壁。通过将设计过程自动化，他们将寻找完美形状的混乱搜索转变为一种可控的、循序渐进的探索。
该团队使用一台使用特殊软塑料的3D打印机制造了一系列此类执行器，并在一台能够精确测量其运动方式的机器上对其进行了测试。他们发现，通过改变壁厚的厚度或内部曲线的形状，他们可以控制执行器的行为。有些设计在生长时可以拉伸到原始长度的六倍以上，这种巨大的扩张让机器人能够深入空间并随后缩回。另一些设计则被设计为在生长时发生弯曲，这对于引导机器人转弯非常有用。研究人员发现，最成功的设计依赖于材料内部特定的厚薄分布模式。这些变化使得执行器能够平滑地扩张而不坍塌，并且至关重要的是，它们使机器人能够在空气被抽出时可靠地回缩，而许多之前的软体机器人由于材料过于松软，无法依靠自身恢复原状，因此缺乏这一功能。
为了证明这些新部件可以应用于现实场景，研究人员制造了一个小型四足软体机器人，它还拥有一个长长的、可伸缩的尾部和脊椎。他们将这个创造物命名为“Turtle-Roo”，因为它结合了乌龟和袋鼠的特征。在开阔空间中，机器人可以拉伸其脊椎和腿部，进行长距离的、类似尺�� de（inchworm）式的跨步。面对崎岖地面时，它可以切换到较慢、更稳定的爬行动作。但真正的考验来自于受限空间，例如狭窄的隧道。由于机器人的腿和尾部是由这些新型伸缩式执行器制成的，它可以在不需要任何传感器或摄像头告知路径的情况下，挤过狭窄的开口。随着它向前推进，机器人的软体自然地压向隧道壁，从而引导自己走向出口。这种通过直接对周围物理空间做出反应，从而自动调整形状和运动的能力，展示了一种直接内置于机器人身体中的新型智能。
这项工作表明，通过使用系统化的方法来设计这些软体部件，工程师现在可以创造出不仅具有柔韧性，而且能够根据指令高度改变尺寸和形状的机器。研究人员证明了他们的新型执行器可以实现高达650%的长度增加，这是一个显著的飞跃，为那些能从一个小包裹部署成大型工作机器的机器人打开了大门。虽然目前的原型机使用的材料在约一百次使用后会磨损，但该设计框架的成功表明，未来的版本可以使用更耐用的材料。这种方法为构建能够通过改变形状来适应世界、从而在灾区导航、探索深海洞穴或辅助医疗手术的软体机器人提供了一条清晰的路径。
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