代瑤，臧紅彬* , , 2，屈濤

（1.西南科技大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川綿陽 621010；2.西南科技大學(xué) 制造過程測試技術(shù)教育部重點實驗室，四川綿陽 621010）

無系繩軟機器的發(fā)展及相關(guān)研究在科學(xué)界引起了廣泛的關(guān)注。目前，作用于無系繩軟機器中設(shè)計的智能材料成為重要選擇對象。智能材料具有常規(guī)材料無法實現(xiàn)的特性和功能，感知外部刺激發(fā)生響應(yīng)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能的轉(zhuǎn)變，既滿足了變形需要，又具有適應(yīng)環(huán)境變化的多種功能，其自變形、自判斷和自適應(yīng)等特點可以實現(xiàn)對生物智能的人工模仿,因而在智能結(jié)構(gòu)、軟驅(qū)動器、軟機器人、儲能等方面起著重要作用[1, 2]。利用智能材料對外界某特定刺激的響應(yīng)特性，實現(xiàn)可重構(gòu)[3-7]、自組裝[8-13]等方面的智能結(jié)構(gòu)設(shè)計。Stoychev等[14]使用溫度響應(yīng)的形狀記憶纖維，制作了一種具有隔熱作用的智能自褶皺織物結(jié)構(gòu)。Troyano等[15]利用化學(xué)蝕刻方法制造了一款智能復(fù)合膜，其表現(xiàn)為可調(diào)節(jié)的自折疊響應(yīng)，由吸附、解吸過程引發(fā)可預(yù)測的2D到3D形狀智能轉(zhuǎn)換。Miskin等[16]利用石墨烯與二氧化硅制作了一款可實現(xiàn)自折疊的微型雙晶型驅(qū)動器，它們能夠感知環(huán)境而做出反應(yīng)，在微米級機器人的制造設(shè)計方面具有一定的潛力。Yu教授團隊[17]提出利用3D打印技術(shù)構(gòu)建可編程水凝膠結(jié)構(gòu)，由溫度驅(qū)動產(chǎn)生各種復(fù)雜的三維智能結(jié)構(gòu)，同時完成軟體抓手的制作并實現(xiàn)在高溫與低溫環(huán)境中對貨物的抓取與釋放動作。Wang等[18]將CNT/PDMS層的光熱特性與氧化石墨烯層天然的親水特性結(jié)合，制作了一種由光、熱、濕度控制并能產(chǎn)生可逆變形的軟驅(qū)動器。Amjadi等[19]提出了一種可編程的聚丙烯-復(fù)印紙雙層驅(qū)動器，該驅(qū)動器由電、濕度或光照驅(qū)動，可作用于軟體抓手和輕型紙翼航空機器人。目前大多數(shù)基于智能材料的軟體機器人也只能在周期交替變化的環(huán)境中移動，需要額外的條件刺激與過多的人工干預(yù)。Shin等[20]報告了一種具有仿生雙層結(jié)構(gòu)智能材料的爬行機器人，通過周期性控制濕度條件從而實現(xiàn)向前運動。Wang等[21]提出了一種高度可變形的液態(tài)金屬復(fù)合材料，通過遠(yuǎn)程控制進行無線加熱，實現(xiàn)了仿章魚運動和軟體機器人纏繞物體等設(shè)計行為。其中，大多數(shù)的智能材料昂貴、制造工藝復(fù)雜，并不能大規(guī)模的生產(chǎn)及使用，將大大限制了材料的運用。因此，成本低廉、并且適合應(yīng)用于軟機器方面的智能材料的研究仍需不斷深入，探究具有可逆變形、多重狀態(tài)變形的智能材料以適應(yīng)智能構(gòu)件的要求，實現(xiàn)更好的智能化成為發(fā)展趨勢。

本文采用已工業(yè)化的硫酸紙作為驅(qū)動材料，其具有良好的濕度響應(yīng)特性，并對其微觀樣貌、力學(xué)性能進行了表征與測試，解釋了其變形機理。將其作為鉸鏈結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款自折疊智能機構(gòu)，能夠在50 s內(nèi)完成從平面結(jié)構(gòu)到立方體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變；應(yīng)用于軟體驅(qū)動器方面的設(shè)計，制作了一款水下自適應(yīng)軟體抓手，可以直接依靠水環(huán)境驅(qū)動而不需要外接驅(qū)動設(shè)備；最后，設(shè)計了一款可在高濕度網(wǎng)格上實現(xiàn)定向運動的帶式蠕動機器人，這一系列設(shè)計體現(xiàn)了硫酸紙在軟機器中的應(yīng)用，為軟體智能材料的應(yīng)用領(lǐng)域提供了新思路。

1.1 運動模式

硫酸紙對濕度敏感，較低的滲透性引發(fā)的不對稱的膨脹會產(chǎn)生大變形[22]。硫酸紙條帶試樣變形機制示意圖如圖1所示。圖1a）為條帶長度方向與纖維方向夾角示意圖，圖1b）表示不同切割方向的條帶試樣在濕度條件下所產(chǎn)生的具有差異性的變形模型與實物展示。由于紙內(nèi)部纖維吸水機制，當(dāng)條帶上下表面存在濕度差時，引導(dǎo)整個條帶發(fā)生可預(yù)測的變形，通過控制纖維方向與條帶長度方向夾角α，分別取α= 0、α= 45°、α= 90°時，相應(yīng)得到彎曲、扭轉(zhuǎn)、卷曲等運動模式。

圖1 條帶變形機制

驅(qū)動源自于水分子在紙厚度方向緩慢的滲透形成的干/濕雙層不對稱結(jié)構(gòu)，其彎曲曲率為

式中：ε為由干/濕層的不同溶脹引起的相對膨脹；m，n分別為干紙層和濕紙層的厚度和楊氏模量比，m=h干/h濕和n=E干/E濕。

圖2為厚度方向的水梯度動力學(xué)模型示意圖。隨著時間的推移，厚度方向CH2O梯度趨于穩(wěn)定，這種厚度方向的CH2O不對稱導(dǎo)致了紙不對稱膨脹從而形成彎曲致動。

1.2 性能表征

利用光學(xué)顯微鏡OLYMPUS CX31對硫酸紙微觀形貌進行觀察，圖3為硫酸紙表面形貌的光學(xué)顯微鏡圖像。硫酸紙表面凹凸不平，其成規(guī)律分布的紋理排布方式與纖維分布方向一致。纖維排布方向決定了變形方式，垂直纖維方向的抗彎剛度較小，易產(chǎn)生變形。按照紋理排布方式切割，我們能夠得到預(yù)測的變形模型。

圖3 硫酸紙面光學(xué)圖像

1.3 拉伸試驗

利用電子式萬能試驗機CM7-05，對硫酸紙平面兩個主方向進行了拉伸試驗，拉伸樣件分別為α=0，α= 90°的條帶，圖4 所示，計算了試件的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，應(yīng)變由實際靜止時長度計算的ε= ΔL/L，應(yīng)力由作用在有效截面矩形A=dh（d為條帶的寬度，h為條帶的厚度）上的拉力計算，楊氏模量作為結(jié)果曲線的斜率。同時，測試了紙條帶在飽和潤濕的狀態(tài)下的應(yīng)變，計算了沿纖維垂直方向的εx= 0.105 ±0.002，沿纖維方向εy= 0.023 ± 0.002，沿厚度方向εz=0.512 ± 0.005，結(jié)果表明厚度膨脹比平面內(nèi)的自吸大得多，這為紙帶從平面外彎曲提供了依據(jù)，也表明了硫酸紙平面內(nèi)具有各向異性。

圖4 應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系

2 智能結(jié)構(gòu)及其變形設(shè)計

掌握硫酸紙的變形機制，運用其運動方式于智能結(jié)構(gòu)設(shè)計，為軟機器的設(shè)計提供了新方法。

自折疊可自動構(gòu)造任意大小的復(fù)雜幾何形狀，折疊結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于減少材料消耗、創(chuàng)建強度、重量比高的結(jié)構(gòu)。因此，設(shè)計了一款內(nèi)置剛性約束塊的自折疊立方體，如圖5所示。

圖5a）為硫酸紙作為自折疊鉸鏈的截面示意圖。限制層結(jié)構(gòu)與硫酸紙條帶之間由雙面膠帶進行粘接。限制層結(jié)構(gòu)的間隙可釋放下層的硫酸紙條帶，使其在水蒸氣條件下膨脹實現(xiàn)智能化折疊。通過調(diào)整鉸鏈處間隙寬度W和限制層厚度t來設(shè)計自身編程折疊的角度。取W= 2.36 mm，t= 1.5 mm，折疊角度θ為90°。間隙寬度W為

自折疊立方體鉸鏈處扭矩T由濕應(yīng)力σx、紙濕層的厚度h1以及紙干層的厚度h2和鉸鏈的寬度d誘導(dǎo)激活（圖5）。扭矩T為

重力產(chǎn)生的力矩主要是由折疊面的長度L和復(fù)合材料（限制層/硫酸紙層）的質(zhì)量m所致（雙面膠帶質(zhì)量忽略不計）。力矩M為

鉸鏈的扭矩T以及重力矩都與鉸鏈的寬度d成線性相關(guān)，因此自折疊面可取任意寬度值。取d=10 mm，h= 0.17 mm 時，在 56 s內(nèi)，由鉸鏈彎曲驅(qū)動其折疊成一個 10 mm × 10 mm × 10 mm 的立方體，圖5d）展示了立方體平面結(jié)構(gòu)在底部布滿水蒸氣的網(wǎng)面上完成自折疊的過程。同時，圖5c）為立方體自折疊過程應(yīng)變云圖，采用ANSYS Workbench對自折疊立方體進行了單向熱固耦合分析，獲得了相應(yīng)的應(yīng)變云圖。硫酸紙的濕膨脹采用熱膨脹代替，在主方向（纖維垂直方向）和厚度方向定義熱膨脹系數(shù)。立方體底面采用固定約束，在各限制層添加定義接觸。網(wǎng)格采用掃掠生成立方體網(wǎng)格。仿真結(jié)果與實驗一致。

圖5 自折疊立方體（標(biāo)尺：1 cm）

3 軟機器應(yīng)用

3.1 軟體抓手

靈活性和適應(yīng)性對于軟抓手的性能非常重要。尤其對于水下易脆、易傷物體的抓取，抓手與物體之間的安全交互尤為重要[23]。設(shè)計一款水下自適應(yīng)軟體抓手，可以直接依靠水環(huán)境驅(qū)動抓手而不需要外接驅(qū)動設(shè)備。考慮硫酸紙在水下抓取過程中對稱吸濕至飽和，采用硫酸紙作為基底，在紙表面單側(cè)沉積疏水Ecoflex00-30軟材料。工藝簡單，利用TBJRZK4900實驗室涂布機可直接涂布制備，圖6a）為軟體抓手手爪材料制造過程示意圖。使用硫酸紙（活性層）厚度為 0.15 mm，Ecoflex00-30（非活性層）厚度為0.15 mm。設(shè)計2D結(jié)構(gòu)，這里僅為兩張矩形條帶（α= 90°）。利用激光切割獲得驅(qū)動器組件，該方法使得可切割材料性能的靈活性具有通用性。

圖6 水下自適應(yīng)抓手（標(biāo)尺：2 cm）

圖6b）所示，左側(cè)為抓手的初始狀態(tài)，右側(cè)為抓手依靠環(huán)境濕度驅(qū)動后的狀態(tài)；圖6c）展示了抓手在水下拾取物體的過程，這種軟抓手利用了硫酸紙的吸濕性擴展功能，十字矩形條帶組合可在水環(huán)境中用作機械抓手。由于其自身的柔順性可以完成對水下各種復(fù)雜形狀物體的抓握。這里，使用自適應(yīng)抓手在水中夾持水果并從水中取出而未脫落。實驗表明，自適應(yīng)抓手最大可抓取并提升比自身重45倍的貨物。此外，由于驅(qū)動器材料自身的柔性、耐酸堿性，軟體抓手可以在特殊環(huán)境中（如腐蝕性溶液）實現(xiàn)抓取作用。

3.2 軟體機器人

創(chuàng)造不受束縛的軟體機器人成為研究熱點，這種機器人可以對外部環(huán)境做出感知，處理以及適應(yīng)而自動發(fā)生反復(fù)變形并能實現(xiàn)自我推進。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，設(shè)計了一款可在穩(wěn)定環(huán)境下行走的帶式蠕動機器人。將硫酸紙激光切割成具有一定縱橫比的條帶，條帶中心開設(shè)燕尾槽，并在此處采用激光雕刻減少厚度方向材料。通過卷曲與拉伸之間的周期性切換，帶式蠕動機器人可在一個比周圍濕度高的平面網(wǎng)格上移動。

圖7a）所示為帶式蠕動機器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計，整體條帶式結(jié)構(gòu) 40 mm × 18 mm × 0.11 mm （α=90°）。圖7b）展示了機器人蠕動過程。縱橫比過大，條帶容易傾倒；縱橫比過小導(dǎo)致條帶扭轉(zhuǎn)力矩不足以使條帶翻轉(zhuǎn)，出現(xiàn)左右晃動的現(xiàn)象。燕尾槽參數(shù)a= 1 mm，b= 3 mm，β= 30°；在燕尾槽區(qū)域采用雙側(cè)激光雕刻，雕刻深度hc= 0.015 mm。條帶在雕刻區(qū)域以鉸鏈的形式限制卷曲軸線越過中心線而引起蠕動機器人后退。當(dāng)帶式蠕蟲機器人被放置在60 ℃熱水網(wǎng)格面上時，帶式蠕蟲機器人改變自身形態(tài)向前蠕動不需要額外的條件。由于水蒸氣的不均勻，機器人的第一個步態(tài)的運動方向是隨機的（圖7（b5）與圖7（b6））。值得注意的是，后面的步態(tài)與前一個步態(tài)運動方向相同（圖7（b8）與圖7（b9））。這是由于轉(zhuǎn)動軸兩側(cè)不對稱位置改變了接受濕氣的有效面積，后向上卷曲側(cè)比先向上卷曲的有效面積更大（圖7（b8）），在驅(qū)動力矩和慣性矩的作用下沿著上一個步態(tài)前進。在初始狀態(tài)，考慮水蒸氣的不均勻?qū)е碌呐まD(zhuǎn)力矩不足以使條帶翻轉(zhuǎn)，引入不對稱的初始條件（圖7（b2）與圖7（b3））：在機器人彎曲到一定階段時，利用鑷子將其翻轉(zhuǎn)，恢復(fù)伸直狀態(tài)時存在內(nèi)應(yīng)力。在實驗中，機器人速度可達(dá)到每秒0.06倍體長。在將來，該機器人可以在人體皮膚上固有潮濕環(huán)境的刺激下爬行并同時執(zhí)行各種生物醫(yī)學(xué)治療。

圖7 帶式蠕動機器人（標(biāo)尺：1 cm）

4 結(jié)束語

本研究從紙平面的微觀結(jié)構(gòu)、力學(xué)性能等方面分析了硫酸紙的變形機理，基于硫酸紙的濕響應(yīng)特性提出并實現(xiàn)了在軟機器設(shè)計中的應(yīng)用，如自折疊機構(gòu)、水下自適應(yīng)軟體抓手、帶式蠕動機器人，充分證明了該方法的可行性，該設(shè)計方案體現(xiàn)出的設(shè)計思想和技術(shù)方法，為新型軟機器設(shè)計奠定了基礎(chǔ)，同時也為軟機器的研究提供了借鑒和參考。