软机器人

软机器人是具体子机器人处理从高度构建机器人兼容的材料，类似于在活的生物体中发现。

软机器人技术极大地借鉴了生物体移动并适应周围环境的方式。与由刚性材料制成的机器人相比，软机器人可提高灵活性和适应性，以完成任务，并在与人一起工作时提高安全性。这些特性使其在医学和制造业领域具有潜在的用途。

软机器人技术的目标是设计和构造具有物理柔性体和电子设备的机器人。有时，柔软度仅限于机器的一部分。例如，坚固的机械臂可以使用柔软的末端执行器来轻轻地抓住和操纵精致或不规则形状的物体。大多数坚固的移动机器人还从战略上采用了柔软的组件，例如脚垫来吸收震动或弹性关节，以存储/释放弹性能量。但是，软机器人技术领域通常偏向于主要或完全软的机器。完全柔软的机器人具有巨大的潜力。一方面，它们的灵活性使它们可以挤入刚体无法进入的地方，这在救灾场景中可能很有用。

大自然通常是软机器人设计灵感的来源，因为动物本身主要是由软组件组成的，并且它们似乎利用其软性在地球上几乎任何地方的复杂环境中有效移动。因此，软机器人通常被设计成看起来像熟悉的生物，特别是像章鱼这样的完全软的生物。但是，鉴于其机械阻抗低，手动设计和控制软机器人非常困难。使软机器人受益的是灵活性和合规性，这使得它们难以控制。在过去的几个世纪中开发的用于设计刚体的数学通常无法扩展到软机器人。因此，通常通过自动化设计工具（例如进化算法）来部分设计软机器人，从而使软机器人的形状，材料特性和控制器都可以同时针对特定任务自动进行设计和优化。

由于细胞质和外部环境之间的溶质浓度梯度（渗透势），植物细胞可以固有地产生静水压力。此外，植物可以通过离子在细胞膜上的移动来调节浓度。然后，随着植物对静水压力的这种变化做出响应，它会改变植物的形状和体积。这种压力衍生的形状演变对于软机器人来说是理想的，并且可以通过使用流体流动进行模拟以创建压力自适应材料。

在创建用于软机器人的压力系统时已经利用了这一原理。这些系统由软质树脂组成，并包含带有半透膜的多个液囊。半渗透性允许流体输送，然后导致压力产生。流体输送和压力产生的这种组合然后导致形状和体积变化。

另一个生物学上固有的形状改变机制是吸湿性形状改变机制。在这种机制下，植物细胞对湿度的变化做出反应。当周围的空气湿度高时，植物细胞膨胀，但是当周围的空气湿度低时，植物细胞收缩。在花粉粒和松果鳞片中观察到了这种体积变化。

传统的制造技术（例如钻削和铣削等减法技术）在构造软机器人时无济于事，因为这些机器人的形状复杂且具有可变形的主体。因此，已经开发了更先进的制造技术。其中包括形状沉积制造（SDM），智能复合微结构（SCM）工艺和3D多材料打印。

SDM是一种快速原型制作，因此沉积和加工会循环发生。基本上，一个人沉积一种材料，对其进行加工，嵌入所需的结构，沉积一个用于所述结构的支撑物，然后进一步将产品加工成最终形状，该最终形状包括所沉积的材料和嵌入的零件。嵌入式硬件包括电路，传感器和执行器，科学家已经成功地将控件嵌入聚合物材料中，以创建软机器人，例如Stickybot 和iSprawl。

SCM是一种将碳纤维增强聚合物（CFRP）的刚性体与柔性聚合物韧带结合在一起的过程。柔性聚合物充当骨架的接头。通过此过程，通过使用激光加工，然后进行层压，可以创建CFRP和聚合物韧带的集成结构。由于聚合物连接器可作为销接头的低摩擦替代品，因此该SCM工艺可用于中规模机器人的生产。

现在，通过Robocasting（也称为直接墨水书写（DIW）），可以将3D打印用于印刷各种有机硅墨水。该制造路线允许无缝生产具有局部限定的机械性能的流体弹性体致动器。它进一步实现了数字化制造的气动硅树脂执行器，这些执行器具有可编程的生物灵感架构和动作。使用这种方法可以印刷各种功能齐全的机器人，包括弯曲、扭曲、抓握和收缩运动。该技术避免了常规制造路线的一些缺点，例如在胶合零件之间分层。另一种增材制造方法，可生产形状敏感的，热活化的或对水敏感的形状变形材料。本质上，这些聚合物在与水，光或热相互作用时可以自动改变形状。通过使用光反应性喷墨印刷到聚苯乙烯靶上来产生形状变形材料的一个这样的例子。此外，形状记忆聚合物已快速原型化，该原型包含两个不同的组件：骨架和铰链材料。在打印时，将材料加热到高于铰链材料的玻璃化转变温度的温度。这允许铰链材料变形，同时不影响骨架材料。此外，该聚合物可以通过加热连续地重整。

所有软机器人都需要一个致动系统来产生反作用力，以允许其与其环境进行运动和交互。由于这些机器人的柔顺性，软致动系统必须能够移动，而无需使用会在生物体内充当骨骼的刚性材料或在刚性机器人中常见的金属框架。然而，存在一些针对软致动问题的控制解决方案，并且已经找到了其解决方案，每种解决方案都有其优点和缺点。下面列出了一些控制方法和适当材料的示例。

软拉伸传感器通常用于测量机器人的形状和运动。然后通常将这些测量结果输入到控制系统中。

软机器人，特别是那些模仿生活的机器人，通常必须承受周期性的载荷才能移动或执行其设计任务。例如，在上述的七lamp鱼或乌贼状机器人的情况下，运动将需要电解水和点燃气体，从而导致快速膨胀以推动机器人前进。这种重复性和爆炸性的膨胀和收缩会在所选的聚合物材料上产生强烈的循环载荷环境。水下和/或欧罗巴上的机器人几乎不可能修补或替换，因此需要谨慎选择一种材料和设计，以xxx程度地减少疲劳裂纹的产生和传播。特别是，应该选择具有疲劳极限的材料或应力-振幅频率，高于该频率时，聚合物的疲劳响应不再取决于该频率。

其次，由于软机器人是由高度兼容的材料制成的，因此必须考虑温度的影响。材料的屈服应力倾向于随温度降低，而在聚合物材料中，这种影响甚至更为极端。在室温和更高的温度下，许多聚合物中的长链会彼此伸展和滑动，从而防止局部应力集中在一个区域并使材料延展。但大多数聚合物会经历韧性到脆性的转变温度低于此温度，长链就没有足够的热能以这种可延展的方式做出响应，断裂的可能性更大。实际上，聚合材料在较低温度下变脆的趋势被认为是造成航天飞机挑战者灾难的原因，必须非常认真对待，特别是对于将在医学中实现的软机器人。韧性到脆性的转变温度不一定是“冷”的温度，实际上是材料本身的特征，取决于其结晶度、韧性、侧基尺寸（对于聚合物而言）和其他因素。