众所周知，在各种复杂的情况下，刚度和柔度对机器人的运动和操纵至关重要。与许多刚体机器人相比，软体机器人由于其高顺应性和安全性，使其与人互动、操纵和搜索救援成为可能。而今许多场景要求机器人同时需要刚和软的特性。例如，当包装机器人在抓取和摆弄不同软度、形状和重量的物品时，其要有足够的刚度来抓取重物，也要有足够的软度抓取易碎或不规则的物品。又比如，在探索危险和密闭的环境时（地震后的救援和工业管道检查），救援机器人应该有足够的顺从性，以适应杂乱的环境，并有足够的刚度来跨越大的沟壑。此时，当机器人背着沉重的负载在崎岖不平的表面上运动，它应该有足够的顺应性在表面上移动，同时有足够的刚度来支撑负载重量。为了整合这两个相反的特征，许多学者设计了可变刚度结构。然而此种结构需要更长的时间和更多的能量从较硬的状态切换到较软的状态，换句话说，这结构在一个特定的时间点只有一种软或硬的状态。

受沙漠蜥蜴皮肤的刚柔耦合特性启发，南科大团队提出了一种新颖的各向异性刚度结构（OASS）的概念，以解决在一个结构中同时要求软性和刚性状态的问题。这种结构由类似金字塔型的凸起阵列所组成，可以在一个方向上承受很大的力，但在另一个方向上很容易压缩或者弯曲，与需要较长时间和特定刺激才能实现软硬状态切换的可变刚度结构相比，OASS在同一结构中沿不同方向软硬状态共存。

图2. 各向异性刚度（OASS）概念图

在这项研究中，受到折纸结构启发的，各向异性刚度结构以纸为骨架支撑，外层被硅胶所覆盖，以使机器人在动态和重复破坏力下具有较大的弹性和坚固性。为了确定该结构的最优刚度比值，该团队分别分析了各向异性压缩刚度和弯曲刚度对六个主要参数的影响。经过有限元分析，当该结构受到微弱的水平力时，容易发生横向收缩或膨胀，然而它却可以抵抗强大的垂直力。不仅如此，经过模型验证，为了使该结构达到更高的刚度比，可以增加凸起机构的数量和棱长，同时减少壁厚，并将棱锥角设计为60°。通过改变参数和排列数量，该结构则具有各项异性弯曲刚度的特性，通过类似方法进行分析。最终，该结构的各向异性压缩和弯曲刚度比值最高分别可达37.9和38.5。

不仅如此，通过仿真计算与实验结果表明上述压缩/弯曲刚度比的特性不随材料的不同而变化，这被不同杨氏模量材料制成的模型实验结果所证明。然而，刚度的绝对值则随着材料的变化而变化，因此OASS结构可以根据需要选择不同的材料，使得该结构可以与电路、传感器、控制器等集成，具有广泛的应用前景。

图3. 各向异性刚度结构的参数化设计

图4.各向异性刚度的特性

基于各向异性刚度结构，该团队通过改变金字塔阵列结构的排列方式和数量，设计了三种不同大小形状的软体机器人，用于各种应用：

（1）两个基于各向异性压缩刚度结构的爬行机器人，与传统气压驱动的软体机器人低载荷能力不同，它们在水平方向上是软的，但在垂直方向上是硬的，以保护气路不被重物挤压。其中，一个小的机器人（自重约30g）静态载荷能力为8.4kg（自重的280倍），运动载荷为3.4kg（其自重的117倍），几乎是现有软体机器人最大载荷的18倍。另一个大的机器人能够携带一名女性志愿者（46公斤）在地面上向前移动。

（2）各向异性弯曲刚度的假肢手具有刚度的快速切换（只需转移工作方向），重量轻（1.8公斤），成本低（263.4美元）的特点。实验表明，传统软体手因其刚度低，无法举起大的或重的物体，无法在平面上推动大件物件。相较之下，OASS假肢手不仅能够完成上述任务，还能用其高刚度侧砸碎鸡蛋，以及在大加速度运动情形下稳稳抓住物体。

（3）蛇形机器人由两个OASS执行器串联而成，它兼具各向异性的压缩和弯曲刚度的特性。经过实验验证，该机器人在携带1公斤有效载荷甚至被土壤掩埋的情况下仍能连续移动，这使得它在灾后搜索和救援方面很有前途。另外，它可利用其高刚度侧成功跨越它自身体长50%的大间隙。

图5. 三种基于OASS的软体机器人

该论文由南方科技大学独立完成。南方科技大学机械与能源工程系2022级博士研究生朱人杰为论文第一作者，通讯作者为戴建生院士和王宏强副教授，南科大为论文第一单位。该项目由国家重点研发计划、国家自然科学基金和广东省自然科学基金等资助。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/aisy.202200301

内容来源南科大官网：https://newshub.sustech.edu.cn/html/202303/43668.html