多场耦合大变形离子液凝胶软体机器人驱动机理研究

Ionogel soft actuator has strong ability to adapt to unstructured environment due to its large deformation capacity, which is a novel bionic soft driving model. Aiming at the application of the soft actuator, the project will focus on the deformation mechanism of the ionogel soft robot based on the electro-chemo-thermo-mechanical coupling theory. The multi-field coupling nonlinear dynamics model of the ionogel soft robot will be researched on the basis of three phase mixture theory in consideration of geometric nonlinearity, material nonlinearity, effect of ions accumulation volume difference, and effect of temperature field. The custom made finite element analysis platform for the ionogel mechanism will be developed. The effect of material parameter, electric potential, temperature, structural geometric parameters and boundary conditions on the nonlinear dynamic performance will be analyzed. The deformation displacement response, force response, electric potential response, current response, induced strain and stress response will be obtained. And the regulation rules of the multi-field coupling mechanical behavior will also be established. Moreover, a new positional accuracy characterization method of the soft robot will be developed. At last, a multi-objective coordination optimization method will be put forward to improve the performance of ionogel soft robot. The research achievements will clear the deformation mechanism of the electro-active polymer based actuators, and also provide theoretical basis for soft robot design.

离子液凝胶软体驱动器可在大范围内任意改变形状与尺寸，对非结构化环境具有极强的适应性，是一种新型仿生软体驱动方式。项目针对软体驱动器应用，拟开展基于电-化学-热-力多场耦合离子液凝胶软体机器人驱动变形机理研究，主要研究内容包括：综合考虑几何非线性、材料非线性、离子累积体积差效应和温度场效应等因素影响，提出基于三相混合物理论的软体机器人多场耦合非线性动力学模型，建立有限元高精度计算分析平台；讨论材料参数、电势、温度、结构几何参数及边界条件等对软体机器人非线性动力学性能的影响，确定系统位移、输出力、电势、电流、诱导应变和应力响应，获得多场耦合动力学行为调控规律；对软体机器人定位精度进行研究，寻求多物理场参数可调控因素对软体机器人定位精度的表征方法；应用优化算法对软体机器人驱动变形性能进行多目标协同优化。本项目将明确电活性聚合物驱动器多场耦合机理，为软体机器人精度分析和优化设计等提供理论依据。

传统机器人以刚性结构为主，在工业、医疗和特种作业等诸多领域已经有了广泛的积累和应用，但其结构复杂、灵活度有限、安全性和适应性较差。基于智能材料的软体机器人可在大范围内任意改变形状与尺寸，具有极强的非结构化环境适应能力，在医疗、检测、精密操作等领域具有广泛的应用前景。本项目基于软体智能材料，开展离子液凝胶软体驱动器致动机理及建模、离子液凝胶触觉感知机制、介电弹性体软体关节优化设计等方面研究，取得一系列进展。在离子液凝胶驱动器致动机理及建模方面，设计并制备了高性能离子液凝胶驱动器，基于材料非线性理论分析了离子液凝胶的超弹性特性，获得了综合考虑拉伸特性和拉伸强度的优选材料配比，建立了基于几何非线性条件的离子液凝胶驱动器大变形分析方法，揭示了多场耦合作用下离子液凝胶驱动器的大变形机理。在离子液凝胶触觉感知机制方面，设计了分布式凝胶触觉感知模块，基于等效电路原理建立了触觉感知模型。针对定位层凝胶，建立了开路四阻抗支路并联模型表征其特性；针对力觉感知层，建立了平板电容模型描述其特性。通过实验验证触觉感知有效性，探明了离子液凝胶触觉感知的机制。软体关节优化设计方面，提出了一种基于介电弹性体的最小能量结构软体关节，通过有限元建模和实验研究了介电弹性体预拉伸及不同关节参数对关节驱动性能的影响，并进行了软体关节疲劳特性分析，设计搭建了实验平台，对关节的弯曲性能进行验证。项目成果为软体机器人设计和应用提供了理论依据和技术参考。