Soft Pneumatic Actuators for Soft Robotics: A Motion-Based Review of Actuation Mechanisms and Performance Trade-offs

想象一下，软体机器人是一个由橡胶和织物而非金属与齿轮构成的“充气肌肉”世界。本文是一本人门指南，旨在帮助理解这些柔软机器是如何运动的。作者认为，不能仅凭机器人移动的距离来判断其优劣；你必须观察它是“如何”运动的，以及驱动它运动需要付出什么代价。

将气压想象成水管中的水。如果你只是给气球充气，它会变得又圆又大。但机器人需要执行特定的动作：像弹簧一样拉伸、像手指一样弯曲、像开瓶器一样扭转，或向任意方向移动。本文指出，秘诀不仅仅在于空气，更在于嵌入橡胶内部的形状和“骨架”，它们迫使空气按照你的意愿精确做功。

以下是这四种主要运动方式的分解说明，辅以简单的类比：

1. 直线运动（拉伸与收缩）

这是指机器人变长或变短，就像望远镜一样。

• 问题所在：如果你只是给管子充气，它会像气球一样变粗，而不是变长。
• 解决方案：
  • 编织套筒（麦基本肌肉）：想象一个橡胶气球被包裹在编织的渔网中。当气球膨胀时，网会变紧，迫使整体长度缩短。它很强力，但网可能会摩擦气球，导致打滑且难以预测。
  • 波纹管（手风琴式）：想象手风琴或吸尘器的软管。褶皱迫使管子笔直延伸，而不是变粗。它很简单，但如果用力过猛，可能会发生屈曲或打结。
  • 纤维增强管：想象以特定角度用绳子缠绕橡胶管。绳子充当坚硬的脊柱，阻止管子变粗，迫使它拉伸或收缩。它很精确，但如果绳子没有完美粘合，机器人就无法正常工作。
  • 套筒驱动器：这是一种新颖的紧凑设计。想象一个薄而折叠的套筒，像扇子一样展开。它耗气量极低，非常适合可穿戴设备，但需要极其精密的折叠才能工作。

2. 弯曲运动（像手指一样弯曲）

这是指机器人向一侧弯曲。

• 问题所在：空气倾向于向所有方向均匀推动。要实现弯曲，必须阻止空气在某一侧向外推动。
• 解决方案：
  • 气动网络（“气球银行”）：想象橡胶块内有一排小气球。如果使它们之间的隔墙变薄，隔墙会首先破裂打开，推动整个块体弯曲。它速度快，但耗气量大。一种新型的“快速气动网络”利用间隙，以更少的气量实现弯曲。
  • 纤维增强：与直线运动版本类似，但“绳子”的放置方式是为了阻止一侧拉伸，从而迫使机器人卷曲。
  • 织物驱动器：这些不使用实心橡胶，而是使用织物层和内部的一个薄橡胶囊。它就像一只高科技手套。它舒适且轻薄，但接缝和织物可能会磨损或泄漏，导致难以制造出两只完全相同的手套。
  • 套筒弯曲器：这些类似于直线套筒，但设计用于弯曲。它们缠绕在肢体周围并使其弯曲。它们非常适合可穿戴设备，但需要非常精细的内部“系带”以防止其塌陷。

3. 扭转运动（像开瓶器一样旋转）

这是最难的动作，因为圆管自然倾向于变粗，而不是扭转。

• 解决方案：
  • 螺旋缠绕：想象以倾斜角度用弹簧或编织物缠绕橡胶管。当它膨胀时，倾斜角度迫使它旋转。
  • 螺旋腔室：空气通道不是直管，而是模制成螺旋形状。当充满空气时，它自然倾向于解开或卷起。
  • 折叠折纸：利用纸张折叠图案（如 Kresling 图案），这些图案在展开时会自然扭转。它可以旋转很大角度，但折叠处可能会随时间推移而开裂或泄漏。
  • 预扭转：在启动前先将管子扭转。当充入空气时，它会解扭。这很简单，但橡胶可能会疲劳并失去其扭转的“记忆”。
  • 套筒扭转：一种紧凑的折叠套筒，充气时会扭转。它非常适合可穿戴设备，但需要完美的制造工艺才能保持一致性。

4. 全向运动（向任意方向移动）

这是指机器人可以同时向左、向右、向上、向下弯曲，或同时拉伸。

• 解决方案：
  • 并联式（“三脚凳”）：想象三个独立的直线肌肉呈圆形排列。如果你只给左侧的一个充气，机器人就会向左弯曲。如果你给所有三个充气，它就会拉伸。它坚固且易于修复，但体积庞大且需要大量管道。
  • 单体式（“单一躯体”）：想象一个大管子，内部有三个独立的气室。它紧凑且整洁，但如果壁太薄，整个物体可能会像气球一样膨胀，而不是弯曲。
  • 套筒全向式：一种将“单一躯体”概念与折叠套筒相结合的新设计。它可以在一个紧凑的包装中实现弯曲、拉伸和收缩，非常适合缠绕在人臂上，但需要非常精密的密封才能工作。

核心启示

本文的主要观点是：你不能仅通过观察机器人移动的距离来比较它们。

• 运动的“成本”：两个机器人可能都弯曲了 90 度，但一个可能需要巨大的气泵和大量能量，而另一个只需要一个小泵和极少的气量。
• 权衡取舍：每种设计都是一种妥协。
  • 如果你为了控制运动而使其更硬，它可能会失去“柔软性”（顺应性）。
  • 如果你使其简单，可能很难准确预测它将如何运动。
  • 如果你使其可穿戴，你可能不得不面对会泄漏或磨损的织物接缝。

简而言之：要制造一个好的软体机器人，你不仅需要空气，还需要正确的“骨架”（褶皱、纤维或织物）来引导空气。最好的设计不是移动距离最远的那个，而是能够按你所需的方式运动、耗气量最少、寿命最长且易于制造的那个。