柔性微型机器人凭借其出色的环境适应性、行动隐蔽性和集群作业能力,在灾后搜救、环境监测、侦查监听等狭窄空间作业场景中展现出巨大的应用潜力。然而,由于柔性材料本身具有低刚度和易变形的特点,柔性执行机构普遍存在驱动力不足和运动精度低的问题,这给柔性机器人的精准运动和精确控制带来了挑战。
最近,清华大学深圳国际研究生院的张旻和王晓浩团队与美国加州大学伯克利分校的林立伟团队合作,在前期柔性机器人压电谐振高效驱动研究的基础上,提出了一种利用静电调节摩擦力来实现柔性微型机器人高速转向的新方法。这款机器人全长30毫米,由柔性单晶压电结构驱动。通过在机器人脚部安装静电垫以及优化其四自由度模型设计,实现了驱动与静电吸附的协同控制。最终,机器人实现了每秒482度的转向速度和每秒28倍身长的转向加速度,这一性能指标达到了已报道微型机器人的最高速度,相当于某些海洋节肢动物的速度。此外,机器人能够在5.6秒内穿越一条总长1.2米的迷宫路径。
为进一步摆脱对外部电缆的依赖,研究团队通过优化负载结构,使机器人能够独立运行。机器人配备了控制电路、电池和传感器等设备,从而可以自主追踪路径并进行轨迹控制。
相关研究成果以《基于静电足垫的高机动性昆虫尺寸柔性机器人轨迹控制》为题发表在《科学·机器人》期刊上,这也是该团队在这一领域连续发表的第二篇论文。论文的通讯作者包括清华大学深圳国际研究生院的张旻副研究员、澳门大学的钟俊文助理教授和美国加州大学伯克利分校的林立伟教授。论文的第一作者是清华伯克利深圳学院2016级仪器科学与技术专业的博士生梁家铭和电子科技大学的讲师吴一川,其他作者还包括清华大学深圳国际研究生院的研究员王晓浩,2019级仪器仪表工程专业的硕士生陈慧敏、苗子聪,以及2019级仪器科学与技术专业的博士生刘含笑等。论文的第一单位是清华-伯克利深圳学院。