Design--fabrication-and-control-of-soft-robots

### 设计、制造与控制软体机器人的关键技术 随着机器人技术的发展，软体机器人作为一种新型的机器人形态，凭借其在适应复杂环境、安全交互等方面的优势，逐渐成为研究热点。本文将根据提供的信息，深入探讨软体机器人的设计、制造与控制方法，并分析其在不同应用场景中的表现。 #### 软体机器人的动力学模型与仿真 软体机器人的设计与制造过程中，准确的动力学模型对于预测其行为至关重要。目前已有研究通过不同的方法来建立软体机器人的动力学模型。例如，有研究采用弯曲梁近似法对受端部负载的动态聚合物气动管进行建模[85]。虽然这种方法尚未用于实际控制，但它为理解软体机器人的力学特性提供了基础。另一项工作则基于拉格朗日方法，开发了一个平面可伸展连续体操作器的动态模型，并进行了仿真分析[86]。此外，Luo等人还建立了软平面蛇形机器人的动力学模型[87]。这些模型不仅有助于我们理解软体机器人的运动机理，也为后续的控制系统设计奠定了理论基础。 #### 软体机器人的系统与应用 软体机器人因其独特的结构和材料特性，在多个领域展现出广泛的应用前景。以下是一些典型的软体机器人系统及其应用场景： - **移动能力**：近年来的研究探索了软体机器人实现移动的各种方式。比如，通过模仿毛虫的生物力学特征，开发出了能够爬行的软体机器人[20,73]。通过对蠕虫的生物学原理的理解，设计了一种由形状记忆合金（SMA）驱动的仿生蠕虫[88]。另一款受到环节动物启发的机器人，则是通过介电弹性体驱动[22]。欧洲的一个项目则研究了章鱼的生物力学和控制策略，以开发出软体机器人原型[9,24]。一款内置流体驱动器的自主机器鱼能够前进、转弯和调整深度[11,31]，并在100毫秒内完成C型转逃动作，这一性能与生物原型相当，可用于生物研究。 - **四足移动**：软体机器人领域的研究也涉及四足移动方式[10,29]。这种类型的软体机器人通常具有更高的灵活性和稳定性，适用于复杂地形下的探索任务。 - **滚动**：还有一些研究探索了软体机器人通过滚动的方式移动[28]，这种方式特别适合于狭窄或不规则的空间。 - **蛇形移动**：蛇形软体机器人的设计受到自然界蛇类移动方式的启发[8]，能够适应多变的环境并执行复杂的任务。 - **跳跃**：通过内部燃烧碳氢燃料实现快速能量释放的方法也被应用于软体机器人的跳跃动作中[57,58]。 #### 自主软体机器人的挑战与未来方向 尽管软体机器人在设计和控制方面取得了显著进展，但仍面临着实现完全自主化和移动性的挑战。当前大多数实验性的软体机器人系统依赖外部电源或控制信号。为了满足如搜救任务或环境监测等高要求应用的需求，开发具备自主供电能力和智能决策机制的软体机器人将是未来研究的重要方向。 软体机器人作为机器人技术的一个新兴分支，正逐步展现出其在多个领域的巨大潜力。通过不断改进其设计、制造技术和控制算法，我们可以期待在未来看到更多功能强大且适应性强的软体机器人出现在我们的生活中。