智能感知软体机器人材料设计制造一体化研究

Traditionally, the robots were built by assembling various individual designed and fabricated functional components together, and expected to work in the well-structured situations. When facing complex and unpredictable situations, the degrees of the freedom will increase exponentially and lead the design and fabrication of robots very complex and even out of control. Inspiring from the nature, soft robots were proposed by exploiting the so-called mechanical intelligence of soft materials according to the integration strategy of control and actuation. In this approach, two kinds of materials with different stiffness are bonded together， where the stiffness of one material can be tuned by applying external forces e.g. the balloon can be harder by filling pressurized air. This kind of the robots demonstrated excellent adaptability with a much simpler design, compared to the traditional rigid robots, particularly in the unpredictable and complex environments. In the proposal, following the “integration strategy of material, design and fabrication” advocated by MIT/Harvard, we would focus the study of variable stiffness by material and structural design. At the same time, considering the importance of advanced sensing in the practical situations, the seamless integration of advanced sensing will be another focus of this proposed investigation. Finally, the prototyped new soft robots will be verified, targeted to monitor the micro-crack and structure health of blade of turbine.

传统机器人将控制、驱动分开制造再组装。当面临复杂外部环境时，控制和驱动部件设计往往随自由度增加变得异常复杂，可靠性和实用性也随之降低。软体机器人从生物界获得灵感，利用软材料的机械智能(mechanical intelligence of soft material)有机地将控制、驱动融为一体，把两种刚度不同的软材料结合在一起，在某种外力（如充气压力）的作用下产生材料的不同形变来驱动机器人。这使软体机器人设计变得简单灵巧而且环境适应强。结合这一特点，我们将根据MIT／Harvard最近倡导的材料、设计、制造融为一体的先进制造新思维，集中研究软体机器人核心问题即可变刚度的问题，从材料设计、结构和工艺方面开展深入的研究。考虑到实际应用中智能感知和反馈对机器人的功能扩展和强化的作用，我们另一个重点是将智能感知层有机地结合到软体机器人中，并在某些复杂场景如通流器件的微裂纹探测进行初步可行性验证。

本项目在通流测试平台的设计搭建、柔性传感器的设计制备和软体机器人功能性集成方面均取得了重要的成果。.在高温气膜实验平台的搭建方面，实现了高温燃气生成系统、高温气膜实验冷却系统和平板气膜结构实验件的改进，并完成了基于所搭建系统的气膜冷却流固热耦合实验。为高温叶轮机叶片热蚀状态的研究提供了重要实验依据，并以此设计制造了叶栅叶片模型，为软体机器人在变曲率表面的运动和气膜孔识别提供了条件。.在可拉伸电极方面，开发了一种可实现超低检测限、高灵敏度、高拉伸率及良好的力学稳定性的电子皮肤制备的全有机可拉伸电极，和一种可极大地减少转移过程中电子器件承受的应变，并降低电极在测量信号时的界面阻抗和噪声的基于丝素蛋白的电极转印工艺。基于该转印工艺的电极可实现200%的十万次拉伸，满足预期要求。传感器方面，开发了多级次可自填充的离子型传感器和PDMS基的一体化传感器。离子型传感器在极宽压力范围内提升了器件灵敏度，实现了100微米空间分辨率。一体化传感器的设计方法，解决了驱动和感知层地方界面不匹配问题，为软体机器人提供了一体化的制造范式。.在大变形刚度调控方面，提出了一种基于PDMS的同基质变刚度机理，实现了同基质材料的杨氏模量在5kPa-12.3MPa范围内可控，超过预期。同时基于此原理的变刚度无缝集成方法解决了界面力学易分层失效的难题，为软体机器人材料设计制造一体化的制作及功能层的稳定集成提供了条件。机器人的本体设计方面，提出了一种基于结构和材料的致动器刚度预编程方案，实现了对复杂变曲率表面的良好共形，为后续共形界面表面形貌的感知提供了良好的基础。在表面结构的检测方面，提出了基于凸球点阵结构的静态和动态检测的两种检测方式，实现了不同尺寸裂纹特征的感知和识别，动态检测方案的最小可检裂纹宽度为350m，有效满足检测要求。最后，基于所提出的预编程共形设计方法，集成了柔性感知层，实现了软体机器人的功能性集成，完成了软体机器人样机制作和工作性能测试。