不同于传统的刚性机器人，近年来由柔性材料构筑的软体气动机器人，在使用中更具灵活性、柔韧性，与人体和脆弱的物品交互过程中具有更高的安全性，因而在智能可穿戴设备、人机交互及非结构化环境与复杂操控系统中具有广阔的应用前景。但目前普遍应用于气动驱动器的柔性膜材料存在多向大变形、非线性弹性、亲肤性差以及制备工艺复杂等问题，因而限制了气动软体机器人的体积比功率、致动速度、可操控性、可扩展性及其在可穿戴领域的应用。
鉴于此，江南大学孙丰鑫团队与香港大学Iqbal M.I.团队联手，通过简单低成本的各向异性纺织分级结构设计，借助花式圈圈纱的双模量弹性和衬垫针织结构的几何构形转变与力学各向异性，实现了仿毛毛虫结构的新型纺织基弯曲驱动器的制造和编程。该驱动器同时具备高弯曲响应速度（1100° s-1）、大驱动应变（1080° m-1）、高体积比功率（272W m-3）、力学鲁棒性、可编程的运动行为以及优良的接触舒适性；同时，借助驱动器变形过程中的双模量效应，有效解决了软体机器人领域面临的一个共性问题，即柔软性与输出力值两方面的难以平衡的矛盾。该项工作可为源自结构和几何设计的软体机器人的功能开发提供新思路，有望促进软体机器人在医疗康复、理疗设备和人机交互等领域的发展与应用。该研究成果以“Bioinspired and Hierarchically Textile-Structured Soft Actuators for Healthcare Wearables”为题发表在《Advanced Functional Materials》。江南大学纺织研究所硕士研究生杨梦馨为论文第一作者，其他共同作者包括江南大学硕士生吴靖、江文杰和副教授胡霄睿。
图1 软体驱动器的仿生设计理念
图2 软体驱动器的纺织制造工艺及其结构和力学性能
自然界的进化总是使生物活动趋于高效节能方向发展。如图1所示，受自然界毛毛虫蠕动过程中肢体弹性皮肤和硬质骨架的完美配合的启发，该研究采用芯鞘结构的高弹性PET/PU花式圈圈纱作为针织成圈纱、以双螺旋的高模量PET纱作为中间夹心衬垫纱，通过自下而上的分级纺织技术构造具有超各向异性的夹心衬垫针织结构，避免了非驱动方向膨胀变形的能耗，从而使输入系统的气动能量最大限度转换为驱动变形能，因此提升驱动器的驱动效率和速度；并借助花式圈圈纱和针织结构的几何构形转换，实现双模量效应（图2），从而解决传统气动驱动器的驱动效率低及驱动器的柔性和输出力值难以兼顾的问题。
图3 软体驱动器的驱动性能
图4 驱动机理解析与多模式运动的反设计
图3对比了夹心衬垫针织基的驱动器和传统的双面针织基驱动器的驱动性能。夹心衬垫针织基的驱动器具有较好的阻塞力输出和曲率变形，其输出力和弯曲曲率均比传统双面针织基驱动器高出约6倍，而体积膨胀和驱动时间仅为传统针织基驱动器的0.22和0.16倍，表明所开发的驱动器同时具备较好的弯曲柔度和工作能力。此外，设计的驱动器体现了较好的循环驱动效果和优良的耐磨性与力学鲁棒性。
图4表明，基于改进的拉压双模量理论可以有效预测驱动器的弯曲变形情况，进而阐明几何参量和力学参量如何影响驱动器的运动形式，然后可反向对纺织软体驱动器的变形曲率和运动进行简单的编程设计，实现了转曲、螺旋、弯曲等多重运动形式，设计出通过单一气源控制的顺次变形的软体抓取机器人，避免了复杂的连接结构和多源气动控制系统。
图5 软体驱动器在辅助医疗与健康护理领域的应用
所设计的夹心衬垫针织基驱动器具有柔软、亲肤、舒适的特性，可作为辅助人体肢体运动或手指运动的人工肌肉动力源，通过反复施压和释压，使驱动器膨胀弯曲和回复，从而驱动关节完成运动。此外，还可以通过不同纺织结构的组合设计，实现施压过程中驱动器的不同膨胀变形，可以针对人体穴位进行按摩和理疗。
该研究利用花式纱线形态和夹心衬垫针织结构的分级设计，实现了超各向异性和双模量的软体气动机器人的制造，并展现了高效的驱动变形，同时克服了软体驱动器的柔软性和输出力难以兼顾的问题。此外，这种利用纺织结构开发软体驱动器的方法，具有极好的可扩展性和设计简便性，不用复杂的成膜技术和模具设计，便可以实现低成本、大尺寸、不同形态、多重运动模式的气动驱动器的可编程制备。该研究可为基于几何与结构设计人工肌肉驱动器提供新的开发范式，有望促进柔性结构在软体驱动器领域的新发展。
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