柔性机器人由于其相较传统刚性机器人具有优异的人机交互友好性，成为了国际机器人界的热点研究方向。但如何使柔性机器人在发挥其柔顺特性的同时，具备如同刚性机器人般的承载能力，是当前学界与业界的难题，也是制约柔性机器人走向工业应用的核心“硬伤”之一。

近日，上海交通大学王皓、陈根良团队联合西湖大学工学院姜汉卿团队所开发 “基于织物的轻质高强度机器人/机械手” 突破了这一技术瓶颈。该工作发挥织物材料柔软且抗拉伸的独特性能，突破现有基于硅橡胶制作柔性机器人的思维惯性，提出具有运动模式可任意编程的轻质高强度柔性驱动单元。该机器人单元同时具备结构顺应性、交互友好性以及承载强、质量轻、精度高、工作空间大等优点，将刚性与柔性机器人各自的优点有机结合。相关研究工作以“Soft and lightweight fabric enables powerful and high-range pneumatic actuation”为题发表于Science Advances。

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在当前电、热、光、磁等多种柔性机器人的驱动方法中，气动驱动因其简单、安全的操作特点，以及低成本、易于制造等固有优势，成为了柔性机器人最常用且可靠的驱动方式。当前气动柔性机器人大多基于弹性硅胶材料构建，在气动作用下通过硅胶材料拉伸变形实现运动输出。此类设计虽然具有因为其自身结构顺应性而带来的优异的交互性，但也同样导致其运动易受外力干扰，难以实现承载与高精度运动控制。针对该问题，联合团队从问题背后的力学原理出发，从根本上突破目前柔性机器人的固有思维定式：即不采用硅胶软材料，基于“柔而抗拉”材料、设计并构造具有多运动模式和高承载能力的气动柔性机器人。

图1. 基于织物材料的柔性机器人驱动器构造方法 | 团队供图

该设计发挥织物材料柔软而抗拉伸的独特性能，通过TPU热粘合工艺，所构建封闭织物气腔在正压气源作用下兼具气动软体驱动的柔顺性以及如同气压千斤顶般的高承载能力，所制备标准柱形腔体在压强作用下，具有优于相似质量钢管的结构刚度（图1）；为进一步使其具备更加丰富的驱动特性，联合团队创新性地提出一种基于水溶性内模具的气道构建方法，使得所制备柔性机器人的运动可编程且可提前进行精确的建模分析。

图2. 可编程且可组合的丰富运动模式 | 团队供图

基于上述原理并结合织物材料柔软且易于压缩等特性，通过巧妙设计，该柔性机器人驱动可实现：

  1. 直线、弯曲、扭转等多运动模式输出，且运动模式与输出力可基于所构建模型进行精准预估并进而实现基于模型的几何参数设计（图2a）；

  2. 运动模式串联：由于内模具可进行任意设计，多种运动模式可根据实际需求，分段呈现于单一驱动单元（图2b）；

  3. 运动模式并联：由于织物材料柔软且易于压缩，具有多种不同运动模式的腔体可通过层压的方法集成于同一驱动单元，进而实现单驱动单元多运动模式的自由切换（图2c）。

图3. 高承载、抓取范围可调的柔性机械手 | 团队供图

进一步，该研究通过将该软体驱动单元并联，构建了交互友好型机械手（图3）。其最大抓取力大于150 N，抓取范围超350 mm，大幅提升了现有柔性机械手的抓取范围与承载能力，进一步拓展了柔性机械臂、机械手在生产生活中的应用范围。与此同时，该工作为基于织物材料建造柔性机器人提供了指导方案，为将先进纤维、纺织技术引入机器人应用提供了无限可能。

参考文献

[1] Zhuang Zhang et al. Soft and lightweight fabric enables powerful and high-range pneumatic actuation.Sci.Adv.9, eadg1203(2023).DOI:10.1126/sciadv.adg1203

作者：研究团队

排版：尹宁流

题图来源：参考文献[1]

研究团队

（共同）通讯作者陈根良：上海交通大学机械与动力工程学院教授；姜汉卿：西湖大学工学院教授。

第一作者张壮：西湖大学博士后、上海交通大学博士毕业生

（共同）第一作者龙泳舟：上海交通大学博士生。

本研究获得了国家自然科学基金青年项目、优青项目，国家重点研发计划，以及西湖大学相关经费支持。

论文信息

发布期刊SCIENCE ADVANCES

发布时间2023年4月12日

论文标题Soft and lightweight fabric enables powerful and high-range pneumatic actuation

(DOI：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1203）