引用论文
Li, H., Li, X., Zhou, P. et al. An Untethered Soft-Swallowing Robot with Enhanced Heat Resistance, Damage Tolerance, and Impact Mitigation. Chin. J. Mech. Eng. 37, 135 (2024). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01123-4
(戳链接，下载全文)
关于文章
01
研究背景及目的
软体机器人主要运行在非结构环境或者操作非合作目标，这意味着软体机器人将面对许多不确定损伤。所以如何提高软体机器人在恶劣环境中的鲁棒性一直是一项技术挑战。现存方法主要通过损伤隔离、材料弹性和自愈机制来应对这一挑战。损伤隔离主要应用于介电弹性体驱动器，其应用范围有待于进一步拓展。软体机器人自身的弹性能抵御一定程度的机械损伤，但结构破损后无法实现自动隔离或修复，且要求机器人需做全软设计才能更大程度发挥这一性能。自愈机制是现阶段最有潜力的损伤修复技术，但自愈材料力学性能还远不能满足软体机器人应用需求，并且材料自愈合需要特定的温度条件和充足的愈合时间。与现有方法不同，本文提出一种通过利用流体的物理性质(如：水的高比热容、软胶泥的粘性、非牛顿流体的剪切增稠)来提高软体吞食机器人鲁棒性的方法。基于这种方法，仅需替换流体工作介质便可开发出耐高温、耐损伤、耐冲击的软体吞食机器人。这项工作提出了一种简单、经济、实用的方法来提高流体依赖型软体机器人在恶劣环境中的鲁棒性。
02
试验方法
本文围绕软体吞食机器人开展了四项实验工作：耐高温实验、耐损伤实验、耐冲击实验和多目标抓取实验。在耐高温实验中，测试了600℃以上高温灼烧下软体吞食机器人(水作为工作介质)内部温度变化，并开展了高温物体抓取实验，以此来反映软体吞食机器人的耐高温性能。在耐损伤实验中，测试了不同程度机械损伤下软体吞食机器人(软胶泥作为工作介质)的吞食能力，并开展了有伤害性目标的抓取实验，以此来反映软体吞食机器人的耐损伤能力。在耐冲击实验中，测试了软体吞食机器人(非牛顿流体作为工作介质)在不同冲击力下内部挤压力变化数据，并选取鸡蛋、乒乓球等脆弱物体开展了冲击防护抓取实验，以此来反映软体吞食机器人的耐冲击能力以及冲击缓冲能力。在多目标抓取实验中，验证了无系留软体吞食机器人对异形、柔性、尖锐、细小等目标的吞食能力，同时测试了抓取长度和抓持力同目标的形状和尺寸的关系。
试验视频
Figure 1 (a) Three-dimensional structure and (b) prototype of the untethered soft-swallowing robot, (c) Multi-shape grasping state diagram, multi-object grasping experiment: (d) Plastic bottle, (e) Tape measure, (f) Pen, (g) Electric screwdriver, (h) Cup, (i) Plastic film, (g) Steel needle, (k) Sharp knife, (l) Single hair
03
结果
在耐高温方面，软体吞食机器人可以耐受600℃以上的高温炙烤长达30分钟，内部温度仅仅升高到88℃，可以满足高温物体(如燃烧的固体酒精)的抓取需求。在耐损伤方面，软体机器人在经历扎、钻、扩、剪四项机械损伤后依然具备抓持能力；拉脱力测试实验证明：1 mm以内的机械损伤对软体吞食机器人的抓持力影响较小，500个孔时拉脱力仅仅减小了约4.5 N；当损伤直径增大至2 mm时，拉脱力开始显著减小，孔的数量增加至1000个时，拉脱力降至约20 N（降低了约23.9 N）。在耐冲击方面，测试结果显示软体吞食机器人可以抵御超过90%的外部冲击，能有效保护脆弱目标免受损坏。在多目标抓持方面，测试结果显示水、胶泥、非牛顿流体介质的软体吞食机器人对不同直径圆柱的平均拉脱力分别为44.5 N，42.2 N和29.7 N，对不同形状的平均拉脱力分别为56.2 N，50.5 N和33.7 N。
Figure 2 (a) Schematic of the high-temperature resistance test, (b) Relationship between heating time (heating temperature exceeding 600 °C) and temperature at the center of the elastic structure, (c) The proposed gripper effectively prevents the grasped paper ball from being ignited by the flame and (d) can directly grasp the burning solid alcohol without any additional protection
04
结论
本文开发了具有无系留特性软体吞食机器人，并挖掘了其在耐高温、耐损伤和耐冲击方面的独特性能，并通过实验验证了样机的抓持能力和鲁棒性提升方法的有效性。主要结论如下：
(1) 基于软刚耦合设计方法开发出了无系留软体吞食机器人，其续航能力可达300个抓取周期(每个周期8 s)，对异形、柔性、尖锐、细小等目标均具有较强的抓持能力。
(2) 本文利用水的高比热容、软胶泥的高粘度和非牛顿流体的剪切强化，提高了软体吞食机器人耐高温、耐损伤和耐冲击性能。测试结果显示，所提出的方法能使软体吞食机器人抵御600℃以上的高温，500个1 mm以内的损伤孔仅降低拉脱力约4.5 N，能为被抓持目标抵挡90%以上的外部冲击。
(3) 所使用的流体也为软体吞食机器人带来一些不足。最显著的是与空气介质相比，使用这些流体会导致样机质量偏大，降低了软体吞食机器人的负重比。另外，抓持力对比实验显示：与水介质相比，软胶泥和非牛顿流体降低了吞食机器人的抓取力。
未来主要开展两方面工作：一方面继续研究其它流体对软体吞食机器人性能的影响，同时将这种方法应用于其它类型的流体驱动软体机器人；另一方面将研究软体吞食机器人在恶劣环境中的应用技术。
05
前景与应用
软体机器人正以一种全新的技术模式诠释着未来自动化领域的新面貌，我国在软体机器人学术研究与应用技术方面走在了世界前列，有望创造一场新的机器人技术革命。软体抓持机器人是软体机器人技术中能够产生重大影响的研究领域之一，已经渗透到了太空抓捕、水下采集、消防救援、工业生产、假肢助力、智能医疗等诸多领域，推动了生物、医学、材料、制造、电子等多个学科的交叉互融，具有重要的应用前景和研究价值。软体吞食机器人是典型的抓持机器人，可以满足异形、柔性、尖锐、细小等目标的操作需求。本文所提出的软体吞食机器人鲁棒性提升方法，为流体依赖型软体机器人在恶劣环境中作业提供了实用解决方案。
相关文章/图书推荐
[1] R A Bilodeau, R K Kramer. Self-healing and damage resilience for soft robotics: A review. Frontiers in Robotics and AI, 2017, 4: 48.
[2] E Roels, S Terryn, F Iida, et al. Processing of self-healing polymers for soft robotics. Advanced Materials, 2022, 34(1): 2104798.
[3] H Li, J Yao, C Liu, et al. A bioinspired soft swallowing robot based on compliant guiding structure. Soft Robotics, 2020, 7(4): 491–499.
[4] Y Hao, S Zhang, B Fang, et al. A review of smart materials for the boost of soft actuators, soft sensors, and robotics applications. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2022, 35(1): 37.
[5] 李海利, 姚建涛, 周盼, et al. 无系留大负载软体抓持机器人研究发展综述. 机械工程学报，2020, 56(19): 28-42.
关于作者
01
作者团队介绍
姚建涛（团队负责人，本文通讯作者） 教授、博士研究生导师，河北省拔尖人才、河北省高校百名优秀创新人才，现任燕山大学机械工程学院副院长、人工智能与机器人研究院院长、河北省并联机器人与机电系统重点实验室主任，机器人中国机械工程学会空间机构分会常务委员、机器人分会委员会委员，中国自动化学会共融机器人专业委员会委员等。长期从事机器人理论与技术研究，主要研究方向包含并联机器人装备、多维力感知技术、软体机器人技术等，在IEEE Transactions on Robotics、IEEE/ASME on Transactions on Mechatronics、Mechanism and Machine Theory等国际著名学术期刊和机械工程学报、中国科学：技术科学等国内权威学术期刊发表论文60余篇，授权国际国内发明专利40余项。主持承担国家、省部级及国防科研项目30余项，包括国家自然科学航天先进制造联合基金、国家重点研发计划子课题及中国空间技术研究院、中国电子科技集团等科研院所高新技术合作项目，出版专著1部，相关成果在天马望远镜、FAST馈源仓、卫星总装、舰载平台等领域得到应用，获国家教学成果二等奖1项，河北省技术发明二等奖2项，获中国机械工业技术发明二等奖、科技进步二等奖各1项。担任Journal of Intelligent Manufacturing and Special Equipment青年编委会副主任、Chinese Journal of Mechanical Engineering编委等。
李海利（本文第一作者），工学博士，毕业于燕山大学，现为宁波大学机械工程与力学学院讲师，精密驱动与检测技术研究所副所长。主要研究软体机器人技术，曾获河北省优秀博士论文奖，承担国家、省部级项目5项，在IEEE/ASME on Transactions on Mechatronics、Mechanism and Machine Theory、Soft Robotics等国际著名学术期刊和机械工程学报、中国科学：技术科学等国内权威学术期刊发表论文10余篇，授权国际国内发明专利10余项，指导学生获得挑战杯、研究生机器人大赛、机械创新设计大赛等国家级奖项5项。
02
团队研究方向
燕山大学机器人团队传承深厚的科研积淀，立足基础研究，始终以服务国家重大需求和推动前沿技术发展为目标，持续拓展机器人技术的理论深度与应用边界，推动学科交叉与技术创新。数十年来在黄真教授、赵永生教授等机器人机构学专家的指导与引领下，围绕并联机器人装备、多维力感知技术、软体机器人技术等研究方向，形成了鲜明的研究特色和完整的技术体系。
宁波大学精密驱动与检测技术研究所聚焦微纳系统设计、制造及控制三大核心领域，在压电宏/微位移系统、压电光学像差校正系统、压电微小仿生机器人、微小型医疗机器人、精密光学测量等方面取得深厚的技术积累，承担国家自然科学基金联合基金重点项目、军工项目、华为企业攻关项目。结合两个宁波市创新团队，借助国家“双一流”学科，打造了一支具有机械、光学、电子、信息、力学、加工等背景的微纳系统与智能控制专业化团队。
03
近年团队代表性文章
[1] Haili Li, Xingzhi Li, Pan Zhou, et al. Bioinspired soft tube-foot array with variable stiffness: Design, characterization, and application[J]. IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2024, 29(3): 2173-2183.
[2] Haili Li, Xingzhi Li, Pan Zhou, et al. A flexible escape skin bioinspired by the defensive behavior of shedding scales[J]. Soft Robotics, 2024, 11(2): 296-307.
[3] LIU, Yi, et al. Design and motion planning of a 7-DOF assembly robot with heavy load in spacecraft module. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2024, 86: 102645.
[4] Haili Li, Xingzhi Li, Bo Wang, et al. A fault-tolerant soft swallowing robot capable of grasping delicate structures underwater[J]. IEEE Robotics and Automation Letters, 2023, 8(6): 3302-3309.
[5] HaiLi Li, Shuai Zhang, XuanHao Zhang, WuMian Zhao, JianTao Yao. A 0.5-meter-scale, high-load, soft-enclosed gripper capable of grasping the human body, Science China: Technological Sciences, 2023, 66(2): 501-51.
[6] CHEN, Xinbo, et al. WebGripper: Bioinspired cobweb soft gripper for adaptable and stable grasping. IEEE Transactions on Robotics, 2023, 39.4: 3059-3071.
[7] CHU, Hongpeng; ZHOU, Yulin; YAO, Jiantao. Type synthesis of metamorphic parallel robots based on the serial-chain database. Mechanism and Machine Theory, 2023, 181: 105207.
[8] Haili Li, Pan Zhou, Shuai Zhang, et al. A high-load bioinspired soft gripper with force booster fingers[J]. Mechanism and Machine Theory, 2022, 177: 105048.
[9] Pan Zhou, et al. A Bioinspired Fishbone Continuum Robot with Rigid-flexible-soft Coupling Structure[J]. Bioinspiration & Biomimetics, 2022, 6(17): 066012.
[10] Pan Zhou, et al. Design and Kinematic of a Dexterous Bioinspired Elephant Trunk Robot with Variable Diameter[J]. Bioinspiration & Biomimetics, 2022, 17(4): 046016.
[11] Haili Li, Jiantao Yao, Chunjie Wei, et al. An untethered soft robotic gripper with high payload-to-weight ratio[J]. Mechanism and Machine Theory, 2021, 158: 104226.
[12] Haili Li, Jiantao Yao, Chunye Liu, et al. A bioinspired soft swallowing robot based on compliant guiding structure[J]. Soft Robotics, 2020, 7(4):491-499.
[13] Haili Li, Jiantao Yao, Pan Zhou, et al. High-load soft grippers based on winding effect[J]. Soft Robotics, 2019, 6(2): 276-288.
作 者：李海利
责任编辑：谢雅洁
责任校对： 向映姣
审 核：张 强
JME学院简介
JME学院是由《机械工程学报》编辑部2018年创建，以关注、陪伴青年学者成长为宗旨，努力探索学术传播服务新模式。
欢迎各位老师扫码添加小助理-暖暖为好友，由小助理拉入JME学院官方群！
欢迎关注JME学院视频号~
寻觅合作伙伴
有一种合作叫做真诚，有一种发展可以无限，有一种伙伴可以互利共赢，愿我们合作起来流连忘返，发展起来前景可观。关于论文推荐、团队介绍、图书出版、学术直播、招聘信息、会议推广等，请与我们联系。
感谢关注我们！《机械工程学报》编辑部将努力为您打造一个有态度、有深度、有温度的学术媒体！
版权声明：
本文为《机械工程学报》编辑部原创内容，欢迎转载！
在公众号后台留言需要转载的文章题目及要转载的公众号ID以获取授权!
联系人：暖暖
电话：010-88379909
E-mail：jme@cmes.org
网 址：http://www.cjmenet.com.cn
官方微信号：jmewechat