迈向更加自主的软体机器人：开发并表征一种用于六足软体机器人行走器的3D打印气动接触传感器

《Advanced Intelligent Systems》：Toward More Autonomous Soft Robots: Development and Characterization of a 3D-Printed Pneumatic Contact Sensor for a Six-Legged Soft Robotic Walker

自主电子-free软机器人气动传感系统设计与实现。采用3D打印技术集成电子-free气动传感器，通过气动逻辑门实现六足机器人环境感知与运动方向反转。实验表明传感器响应时间1.41-1.52秒，输入力1.07-4.62N，机器人速度达0.17 body lengths per second。系统在225kPa压力下工作，通过CO?气罐实现离线自主控制，并成功扩展为具备抓取功能的智能机器人。相较于传统电子系统，该设计降低了复杂度与成本，为软机器人环境交互与自主导航提供新范式。

　　在现代机器人技术的发展中，软体机器人因其独特的结构和性能，正逐渐成为研究的热点。与传统的硬体机器人相比，软体机器人通常采用柔性材料制造，这使其具备更强的环境适应性、更高的安全性以及更广泛的适用场景。然而，传统机器人依赖于电子元件进行信号的处理和反馈，这种设计虽然在常规环境中表现出色，但在恶劣或危险的条件下，却容易受到振动、冲击、高温、湿度或辐射等因素的影响，导致系统不稳定或失效。因此，为了提升软体机器人的自主性和适应性，开发无需电子元件的控制系统成为一项重要的研究方向。

本文探讨了一种创新的软体机器人控制系统，其核心在于利用3D打印技术制造一种电子元件的传感系统，并将其集成到一个六足软体机器人中，以实现环境感知和方向控制。该传感系统通过气动逻辑门（PLGs）来处理信号，能够快速检测障碍物并调整机器人的移动方向，从而提升其自主导航和环境交互能力。这种设计不仅减少了系统的复杂性，还增强了其在危险环境中的鲁棒性，同时保持了成本效益。

在传统的软体机器人设计中，大多数依赖于外部电子控制系统来实现运动和感知功能，这在一定程度上限制了其在极端条件下的应用。本文提出了一种完全由气动逻辑组件构成的传感系统，该系统利用3D打印技术制造，具有较高的可制造性和可重复性。具体来说，传感系统由一个弯曲的TPU（热塑性聚氨酯）管构成，该管在未受力时保持弯曲状态，从而阻断高气压信号的传输。当外部力作用于传感器时，弯曲的TPU管会直立并开启气路，将高气压信号传递给执行器，从而触发方向变化。为了防止持续的气压累积导致误触发，系统还配备了一个拉下电阻，通过缓慢释放气压来维持系统的稳定性。

此外，为了提高系统的灵活性和可调性，该传感器还设计了一个杠杆装置，可以调节输入力的大小。通过调整杠杆的长度和TPU管的几何形状，系统可以适应不同尺寸和用途的软体机器人，从而满足多样化的应用场景。在测试过程中，传感器表现出良好的响应性能，其触发所需输入力范围在1.07至4.62牛顿之间，响应时间在1.41至1.52秒之间，这表明其具备较高的灵敏度和快速反应能力。

为了验证该传感器的实际应用效果，研究团队将其集成到一个六足软体机器人中，通过一系列实验测试了其在障碍物检测和环境交互方面的表现。实验结果表明，机器人能够根据传感器反馈迅速改变方向，从而避开障碍物。此外，机器人还可以通过连接气动夹爪来执行物体抓取任务，进一步增强了其功能多样性。在使用CO? cartridges进行自主运行的实验中，机器人能够持续工作46.56秒，并在移动过程中有效识别和抓取物体。

从整体性能来看，该系统在保持高灵敏度和快速响应的同时，也兼顾了系统的轻量化和可制造性。与现有的一些软体机器人相比，该系统在能量效率方面表现良好。例如，与传统的多步式软体机器人相比，其成本运输系数（CoT）较低，特别是在使用CO? cartridges进行无缆操作时，CoT值进一步降低，显示出在提高系统自主性方面的优势。然而，需要注意的是，CoT的降低在一定程度上是由于系统重量的增加，而非真正的能量效率提升，因此在评估软体机器人的性能时，需要综合考虑其重量、速度和能耗等多方面因素。

该研究的创新点在于其采用了一种完全电子自由的传感与控制方式，通过气动逻辑门和传感器的结合，实现了软体机器人在复杂环境中的自主导航和交互能力。这种设计不仅避免了电子元件在极端条件下的脆弱性，还降低了制造和维护成本。此外，由于其模块化设计，该系统可以轻松集成到不同的软体机器人平台中，为未来的软体机器人系统提供了更多可能性。

在应用层面，该传感系统展示了其在软体机器人领域中的巨大潜力。例如，它不仅可以用于障碍物检测和方向控制，还可以通过连接气动夹爪实现物体的抓取和搬运。这种多功能的集成设计，使得软体机器人能够更广泛地应用于工业、医疗、搜索救援等场景。特别是在需要高安全性、高适应性和低维护成本的环境中，如高辐射或强电磁干扰区域，该系统的优势尤为明显。

从技术实现的角度来看，该系统采用了一种简单且高效的制造方式，即通过3D打印技术完成整个气动电路的构建。这种方式不仅降低了生产成本，还提高了系统的可定制性。研究团队通过调整传感器的结构参数，如TPU管的长度、支撑结构的设置以及杠杆的使用，成功实现了对不同输入力的响应控制。这种灵活性使得该系统能够适应多种工作需求，同时保持较高的可靠性。

此外，研究还探讨了该系统的可扩展性和适用性。尽管当前的传感器设计在一定程度上受到3D打印技术精度的限制，如膜厚为0.5至1毫米，这可能影响其微型化程度，但通过模块化设计和进一步的制造工艺优化，未来有望实现更小尺寸的软体机器人传感系统。例如，采用立体光刻或体积打印等先进制造技术，可以在保持系统性能的同时，显著减少材料消耗和制造成本。

在实验验证方面，研究团队通过一系列测试，评估了该传感器的性能和系统整体的运行效率。测试包括对传感器输入力和位移的测量，以及在不同操作模式下的气压消耗和响应时间分析。结果表明，传感器在未使用杠杆的情况下，需要的输入力较大，但响应时间相对较长；而在使用杠杆的情况下，输入力显著降低，响应时间也相应缩短。这表明，通过调整杠杆和TPU管的结构，可以进一步优化系统的性能。

从实际应用的角度来看，该研究为未来软体机器人的自主性和环境适应性提供了新的思路。通过将传感与控制模块集成到机器人系统中，不仅提升了其对复杂环境的适应能力，还为软体机器人在更多领域中的应用奠定了基础。例如，在医疗领域，这种系统可以用于微创手术或环境监测；在工业领域，可用于自动化搬运和检测；在环境监测或搜索救援任务中，也可用于探索危险区域或执行精密操作。

综上所述，本文提出的软体机器人传感系统，代表了电子自由控制技术在软体机器人领域的一个重要进展。通过结合气动逻辑门和3D打印技术，该系统实现了快速、可靠的环境感知和方向控制，同时保持了系统的轻量化和可制造性。这一成果不仅为软体机器人的自主性提升提供了新途径，也为未来软体机器人在更多复杂环境中的应用铺平了道路。