文 | 慢紀硬核說
編輯 | 慢紀硬核說
人工機器人的設計主要是剛性的。基于現有的剛體動力學，它們可以被精确控制，并在速度、強度和重複性任務上表現出良好的性能。
基本介紹
近年來，機器人利用軟質材料實作了更安全的人機互動，對複雜地形的運動适應性更好，以及在極端環境下更好的自我保護能力。
軟體機器人可以比剛性機器人更深入地模拟生物運動機制，在機器人領域開辟了無限的可能性。
現階段，大多數軟體機器人是在宏觀尺度上制造的，由各種新穎的驅動機構驅動，可分為三類：變長肌腱，流體驅動，或電活性聚合物。
當涉及到在有限空間内的精确操作或運動時，軟機器人需要縮小到小尺寸，并由外部供電或驅動。
在這種情況下，磁控制顯示出其獨特的優勢，在外力驅動研究中做出了貢獻，許多不同的外力被用來驅動小型機器人，包括遊動的微生物和收縮細胞，通過微生物的滑行行為，化學反應，溫度，光，pH和遠端傳遞的磁場。
在所有這些外力中，磁是特别重要的，因為它可以提供廣域直接控制，允許各種程式設計方法。
此外，當機器人在體内應用時，受微生物、化學反應、溫度、光、pH等外力驅動的機器人控制較為複雜。是以，選擇磁場作為小型軟機器人的驅動方式是非常合适的。
雖然電磁系統比永磁系統更受歡迎，但永磁系統以更低的成本産生更大的力，并提供更大的靈活性。是以，本工作采用永磁系統。
在自然界中，許多生物進化出腿來移動身體，以應對複雜的地形和各種條件。目前，大多數小型機器人隻能以一種簡單的方式移動，如滾動和爬行。
在磁性控制領域，腿内的钕鐵硼硬磁性粒子進行程式設計實作了以劃水方式向前爬行的磁性多腿機器人。
之後，又有人設計了一種受海星啟發的百萬軟機器人，能夠進行全方位運動。然而，目前微型多足機器人的設計還存在許多不足。
這是因為微型機器人的腿隻能實作單關節的動作，而這些關節的活動是在制造之前确定的。
在本文中，我們提出了一種類似棘皮動物的多足軟體機器人。利用磁體磁場的不均勻性，實作了不同排腿的獨立驅動。
在這些腿的配合下，機器人執行不同的運動模式。
設計與制造
腿和/或腳在許多活着的動物身上很常見。這些結構用來支撐它們的體重，提供有效的運動，進而允許它們不斷地移動到有利的環境。
在這項工作中，我們設計了一種新型的裝飾柱陣列軟機器人來模仿這些生物系統的卓越能力。
利用這樣的設計，機器人可以實作單個有腿動物固有的綜合功能，例如章魚對各種環境的适應性，毛毛蟲出色的過障能力等。
機器人的設計原則是，在現有裝置的基礎上，機器人的尺寸要盡可能的小，并且腿的分布可以控制。
如圖1所示，機器人被設計為具有預定義均勻分布的細長腿的軟體體。身體由純矽凝膠制成，腿由矽鐵混合物制成，由外部磁場驅動。
因為隻有機器人的腿上有磁性顆粒，是以機器人的運動能力完全取決于腿。為了使機器人的形貌保持一緻，本文采用了基于模具的制造方法。
此外，由于無法獲得均勻飽和磁化的钕鐵硼，我們采用鐵粉作為磁緻動源，它具有生物相容性，具有不同于硬磁材料的獨特特性。
圖2描繪了制造無系繩多足軟機器人的整個過程。它們由以下步驟組成：首先，通過3d列印技術制造組合模具。
模具由兩部分組成。第一部分是一塊3毫米的正方形闆材，長度為45毫米。一系列直徑為0.7 mm的通孔均勻分布在方片的中心。第二部分是厚度為3.5 mm的方形環片，可與方形環片内嵌，形成完整的模具。
模具制作完成後，開始用矽膠和鐵微粒組合制作磁腿。首先，将A、B瓶矽膠和鐵粉按1:1:2的品質比混合在一個塑膠杯中。
攪拌均勻後，将塑膠杯放入真空中去氣5 - 7分鐘，以盡量減少起泡。然後，将矽鐵混合物倒入方形闆材中，確定每個通孔都填滿。
刮掉多餘的矽酮後，兩塊切割好的丙烯酸(也塗上脫模劑)用膠帶夾在方形闆材上。等待約45分鐘後，我們從磁鐵上取下方形片，将其與方形環混合，并将混合的純龍皮20放在上面。
待上層純矽膠和下層摻磁矽膠完全固化牢固粘合在一起後，用鑷子小心地将矽膠從模具中取出。
最後，我們檢查腿部的可動性。最後一步是至關重要的，因為如果我們在其中一個中間步驟上浪費太多時間，鐵-矽混合物就會半凝固，内部的鐵顆粒就不能重新排列到最佳方向。
運動分析
3.1. 矩形永磁體的磁場分布
為了更直覺地了解磁場，利用有限元軟體對磁場進行了模拟。圖4為磁場在分界面-分界面的分布。
磁鐵的參數被設定為飽和狀态，是以它們比實際值大。然而，它在空間中的磁場分布為我們提供了很好的參考。
3.2. 磁腿驅動原理
假設我們使用的純鐵粒子的直徑近似等于臨界直徑，則每個粒子的疇結構可以看作是單一的。将鐵粉與矽膠按1:1的品質比混合，并将混合物放入3d列印模具中，模具在使用前噴上脫模劑。
在鐵矽粉固化過程中，沿支腿長軸施加外磁場，使内部鐵顆粒的易軸傾向于與支腿長軸對齊，導緻人工幹預導緻磁化的各向異性。為了定量研究腿的驅動能力，我們用振動樣品磁強計測量了腿在不同磁場下的磁化強度。
3.3. 多足機器人的運動分析
将多足機器人的轉發政策設定為一系列重複循環。機器人運動的核心是控制與機器人相關的磁體的往複運動。
如圖5(a) - (d)所示，在一個新周期的開始，機器人由于磁性拖曳力和靜摩擦的平衡，是靜止的。
然後，由于磁鐵的偏離，作用在機器人前腿上的傾斜磁場産生磁力矩，使機器人的前半部向上翻轉。這種變形的極值取決于磁鐵和機器人之間的垂直距離，背離距離的最大值也是如此。
在此之後，磁鐵傳回并拖動機器人向前移動，直到機器人的所有腿都回到地面。可以看出，在整個運動過程中，磁鐵與磁腿之間産生的拖拽力對機器人的前進起着決定性的作用。
然而，這并不意味着随機放置磁鐵就能使機器人以穩定的模式前進。在大多數情況下，機器人會被拉到磁勢能最小點，姿态扭曲，最終失去可控性。
為了保持機器人姿态的穩定性，磁鐵與機器人的相對位置不能太近也不能太遠。是以，多腿機器人的運動非常類似于木偶戲，磁性作為看不見的線，磁性腿作為木偶的關節。
實驗
文中測試了機器人對磁鐵的反應，機器人被放置在一塊平坦的亞克力闆上，磁鐵被放置在亞克力闆下方，并與亞克力闆保持約5至7厘米的距離。
當以一定的方式移動底部的磁鐵時，機器人的形狀随着它與磁鐵的相對距離而變化。研究發現，在每個運動周期中，隻有一小部分腿始終受到磁場的影響，結果如圖6所示。
當磁鐵從機器人的正面水準靠近到一個距離門檻值時，機器人的正面會在短時間内發生屈曲，并很快屈曲到一個峰值。
這是一個微妙的平衡，要保持它的關鍵是磁鐵向前移動的加速度必須大于機器人向前移動的加速度。
然而，磁鐵的每次疊代都必須到達一個允許機器人做出反應的位置。這使得我們有必要了解磁鐵周圍磁場的确切分布。
為了說明磁場是如何變化的，我們測量了工作空間中磁場的精确分布，如圖7所示。
最後，測試了機器人在多地形迷宮中的綜合運動能力。如圖8所示，迷宮中有多條不同地形設定的路線，包括減速帶、淺坑、斜坡、駝峰和狹窄的角落。
結論
腿在動物運動中起着至關重要的作用，他們可以提供足夠的身體支援，更高的運動靈活性和更好的跨越障礙的能力。
本文設計了一種多足微型軟體機器人。通過改進的磁粉輔助成型方法，機器人可以在磁場的控制下向前、向後、轉彎和跨越障礙物。
此外，從受力層面分析了永磁體的磁場分布和機器人的步态，為後續的磁場控制奠定了基礎。
通過實驗，我們可以知道我們的機器人可以在300秒内走出迷宮，并且路徑的總長度超過30個機器人身長。
參考文獻
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