可重構(gòu)軟體機(jī)器人就像一種柔軟的積木，由各種功能模塊組成，可以輕松拆卸并重新安裝成任何想要的形式。一方面，它具備可重構(gòu)機(jī)器人可重用性、可互換性和可擴(kuò)展性的優(yōu)勢(shì)，減少了重新設(shè)計(jì)時(shí)間，降低了制造成本，并提高了產(chǎn)品的通用性；另一方面，它也繼承了軟體機(jī)器人柔順、安全的特性，在應(yīng)對(duì)非結(jié)構(gòu)化環(huán)境和處理脆弱的目標(biāo)物時(shí)具備顯著優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)有的大多數(shù)模塊在設(shè)計(jì)上都有固定的結(jié)構(gòu)和功能，因此當(dāng)多個(gè)模塊組成的機(jī)器人需要調(diào)整時(shí)，唯有通過更換不同的模塊才能實(shí)現(xiàn)重新配置，這對(duì)于中間位置的模塊替換以及模塊線纜的重新規(guī)劃是十分不友好的。本研究提出了一種分級(jí)可重構(gòu)的策略。這種策略不僅使機(jī)器人具備傳統(tǒng)模塊化方法的優(yōu)勢(shì)，即通過模塊間的組合來構(gòu)建不同的機(jī)器人（第一層重構(gòu)）；還能通過重編程模塊內(nèi)的彈性引導(dǎo)元件，來提供模塊的多種運(yùn)動(dòng)模式（第二層重構(gòu)）。該設(shè)計(jì)策略克服了以往模塊化軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模式不可改變的缺陷，將模塊化的設(shè)計(jì)方法提升到了更高的維度，為機(jī)器人調(diào)整各種構(gòu)型和功能提供了更多選擇。例如，利用模塊間的重新配置，可以構(gòu)造出蠕蟲機(jī)器人、全向爬行機(jī)器人和軟體機(jī)械手等應(yīng)用實(shí)例，此外，由多個(gè)模塊串聯(lián)而成的軟體機(jī)械臂也能夠通過模塊運(yùn)動(dòng)模式的重編程，來重新設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)軌跡和工作空間，而不必進(jìn)行整個(gè)模塊的更換。該方法顯著降低了模塊化軟體機(jī)器人的操作難度和成本。
分級(jí)策略在自然界中十分普遍，比如生物由各種器官組成，而器官又由各種組織組成——這種策略保證了生物體穩(wěn)定而高效的物質(zhì)利用。如圖1所示，作者將功能單元從軟體模塊中抽離出來，并簡(jiǎn)單地劃分為了驅(qū)動(dòng)單元和變形引導(dǎo)單元。進(jìn)一步的，對(duì)這些單元進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和通用化設(shè)計(jì)，使這些單元之間可以相互替換，從而任意改變模塊的運(yùn)動(dòng)模式。利用這些模塊和充分的想象力，可以構(gòu)建多種多樣的機(jī)器人，以滿足不同的應(yīng)用需求。
圖1 分級(jí)可重構(gòu)策略
為了實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能單元之間的快速安裝和拆卸，作者對(duì)連接方式進(jìn)行了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，大致可以分為榫卯連接和卡扣連接兩類，如圖2所示。根據(jù)不同連接點(diǎn)位之間的受力特點(diǎn)，作者安排了相應(yīng)的連接方式。例如，榫卯連接能夠承受很大的縱向力，但對(duì)橫向的旋轉(zhuǎn)力承受能力較小，因此可以用于模塊間的串聯(lián)連接，以及驅(qū)動(dòng)單元的連接；而卡扣連接的橫向縱向承載能力均較好，因此可以用于模塊間的并聯(lián)連接，以及彈性引導(dǎo)單元的連接。
圖2 模塊及功能單元的連接方式
模塊通過驅(qū)動(dòng)單元的縱向收縮和彈性引導(dǎo)單元的引導(dǎo)來實(shí)現(xiàn)不同的運(yùn)動(dòng)模式。如，對(duì)稱分布的彈性梁可以實(shí)現(xiàn)模塊的收縮；非對(duì)稱分布的彈性梁可以引導(dǎo)模塊的彎曲；而傾斜梁可以實(shí)現(xiàn)模塊的扭轉(zhuǎn)。為了探究這種引導(dǎo)機(jī)制，作者對(duì)三種基本的運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，分別關(guān)注了負(fù)載以及彈性梁的尺寸參數(shù)對(duì)驅(qū)動(dòng)性能的影響，如圖3所示。仿真結(jié)果成功地預(yù)測(cè)了模塊的實(shí)際輸出效果，為后期的應(yīng)用提供了一系列設(shè)計(jì)參數(shù)。
圖3 模塊多種運(yùn)動(dòng)模式的性能
利用這些模塊，作者構(gòu)建了不同的機(jī)器人。例如，將三個(gè)收縮模式的模塊串聯(lián)并階續(xù)控制，可以實(shí)現(xiàn)仿照蠕蟲在管道內(nèi)的爬行運(yùn)動(dòng)，如圖4所示。為這一機(jī)器人搭載攝像頭，則實(shí)現(xiàn)了狹窄管道內(nèi)的探測(cè)；另外，作者還為該蠕蟲機(jī)器人集成了控制系統(tǒng)和電源，實(shí)現(xiàn)了無纜化操作。若將三個(gè)收縮模式的模塊并聯(lián)，則得到了一個(gè)平面全向移動(dòng)的機(jī)器人，如圖5所示。通過單個(gè)或兩個(gè)模塊的高頻振動(dòng)，機(jī)器人可在平面上向6個(gè)方向移動(dòng)，而這6個(gè)方向基向量互相呈60°夾角，可以組成平面上的任意向量，即機(jī)器人可以到達(dá)平面上的任意點(diǎn)位。這兩種機(jī)器人只是模塊化的簡(jiǎn)單實(shí)例，但只要想象力足夠，更多的機(jī)器人都將被實(shí)現(xiàn)。
圖4 三模塊串聯(lián)的仿蠕蟲機(jī)器人
圖5 三模塊并聯(lián)的平面全向移動(dòng)機(jī)器人
以上的實(shí)例僅應(yīng)用到了模塊的第一層重構(gòu)，而機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)模式的調(diào)整則更需要第二層重構(gòu)。如圖6所示，一個(gè)由5個(gè)模塊串聯(lián)而成的機(jī)械臂，通過其中模塊運(yùn)動(dòng)模式的重編程，既可以實(shí)現(xiàn)跨障礙探查（圖6a），也可以實(shí)現(xiàn)傳遞花束這樣的人機(jī)交互應(yīng)用（圖6c）。那么，僅由5個(gè)模塊組成的機(jī)械臂，經(jīng)由第二層重構(gòu)的加持而進(jìn)化出了無限的可能。
圖6 分級(jí)可重構(gòu)的機(jī)械臂
相關(guān)研究成果以“Hierarchically Reconfigurable Soft Robots with Reprogrammable Multimodal Actuation”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials期刊上。上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生房付熠為第一作者，上海交通大學(xué)張文明教授和同濟(jì)大學(xué)李汶柏研究員為共同通訊作者。此研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 12032015, 12121002, 12002204）、機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目（MSV202407）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)、上海高校 IV 類高峰學(xué)科建設(shè)的資助。
原文鏈接https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202414279
作者介紹
通訊作者：張文明，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院特聘教授，博士生導(dǎo)師，國(guó)家杰出青年基金獲得者。長(zhǎng)期從事微機(jī)電系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、軟體智能感驅(qū)系統(tǒng)等方面的研究，先后主持包括國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目在內(nèi)的30余項(xiàng)科研項(xiàng)目，在Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文280多篇，授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利和軟件著作權(quán)100多項(xiàng)，出版和參編專著5本。
通訊作者：李汶柏，同濟(jì)大學(xué)航空航天與力學(xué)學(xué)院特聘研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事軟驅(qū)控技術(shù)，仿生機(jī)器人動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與控制研究，作為第一作者或通訊作者，相關(guān)成果已發(fā)表在Nature Communications，Science Advances, Soft Robotics等國(guó)際期刊。
第一作者：房付熠，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院博士生。研究方向?yàn)闅鈩?dòng)軟體機(jī)器人力學(xué)設(shè)計(jì)和控制研究，相關(guān)成果已發(fā)表在The Innovation, Advanced Functional Materials, 《中國(guó)科學(xué)：物理力學(xué)天文學(xué)》等國(guó)內(nèi)外期刊。
其他作者：上海交通大學(xué)陳虎越、郭欣宇博士和孟光教授。
