毫米级可转向软体翻转机器人的液晶弹性体集成软皮肤技术

《SCIENCE ADVANCES》：LCE-integrated soft skin for millimeter-scale steerable soft everting robots

本文针对微型化、全软体可转向翻转机器人的技术难题，提出了一种创新方案——在机器人皮肤中集成液晶弹性体（LCE）致动器和柔性加热器。研究表明，该设计使直径3-7毫米的机器人能在多个位置实现大于100°的弯曲角度，并通过内部压力和温度控制实现精准转向。这项工作为在脆弱和受限环境（如医疗手术和工业检测）中的应用提供了新途径，标志着小型可转向软体机器人技术的重要进展。

　　

在机器人技术领域，能够在复杂、受限环境中安全导航的软体连续体机器人一直备受关注。这类机器人因其灵活性，在工业检测、搜救任务，尤其是医疗手术（如内窥镜检查、血管介入）中展现出巨大潜力。然而，传统连续体机器人通常依赖从基座推动前进的方式，这会对周围环境产生不必要的接触力，并且需要机器人本体具备一定的刚度以承受推进所需的轴向负载。此外，实现机器人的主动转向，特别是在毫米尺度上保持完全软体结构并实现多角度弯曲，是一项长期存在的挑战。

为了解决这些问题，研究人员将目光投向了软体翻转机器人（或称藤蔓机器人）。这类机器人通过其尖端材料的翻转（Eversion）来实现生长或延伸，这种独特的“尖端扩展”运动模式使其能够自然地实现“领导者跟随”运动，极大减少了与环境的相互作用力。然而，要在具有高度曲折性的复杂环境中（如分叉众多的血管或机械内部）自主导航，就需要在软体翻转机器人中集成有效的主动转向机制。现有的转向方法，如气动人工肌肉（PAM）、腱绳驱动或磁驱动，各有优缺点，但在微型化、实现多弯曲点或保持环境独立性方面仍存在局限。

这项发表在《科学·进展》（SCIENCE ADVANCES）上的研究，报道了一种毫米尺度、可转向且完全软体的翻转机器人。其核心创新在于开发了一种功能化的机器人“皮肤”，将液晶弹性体（Liquid Crystal Elastomer, LCE）致动器和柔性电阻加热器集成到超薄的热塑性聚氨酯（TPU）薄膜中。LCE是一种在受热时能从向列相转变为各向同性相，从而产生大幅度可逆收缩的智能材料，具有高功密度、高拉伸性和生物相容性等优点。通过将LCE致动器战略性布置在机器人皮肤上，研究人员实现了机器人在其长度上多个位置的局部弯曲。

为开展研究，团队首先建立了一套精密的制造工艺，通过热压焊接多层TPU薄膜，将PEDOT:PSS柔性加热器和LCE致动器嵌入不同层中，形成可翻转的管状机器人皮肤。他们构建了理论模型来分析机器人的弯曲行为，并系统研究了内部压力、LCE温度、LCE厚度以及机器人直径等参数对转向性能的影响。研究还设计了多种转向控制策略（压力控制、温度控制和混合控制），并利用集成多个致动器的机器人演示了在曲折路径中的导航能力。此外，研究还通过两个应用示例——在主动脉弓模型中递送导管和在喷气发动机模型中进行内部检测——展示了该技术的实用潜力。

结果

可转向软体翻转机器人与LCE致动器：工作原理与设计

研究团队成功设计并制造出直径3至7毫米的软体翻转机器人。其转向能力源于集成在皮肤中的LCE致动器。当对某一侧的柔性加热器通电进行焦耳加热时，相应的LCE受热收缩，从而在机器人身体上施加一个力矩，导致其弯曲。通过控制内部压力（p）和LCE温度（T），可以调节弯曲角度（θ）。研究提出了三种控制方法：压力控制（固定温度，调节压力）、温度控制（固定压力，调节温度）和混合控制（同时调节压力和温度）。机器人即使在弯曲状态下也能通过尖端翻转继续生长。

建模与尺度分析

研究人员建立了理论模型来预测机器人的弯曲角度，并分析了按比例缩放机器人的影响。模型假设机器人身体是一个可径向拉伸的充气薄壁管，LCE致动器收缩产生弯曲力矩，而内部压力产生抵抗力矩。在力矩平衡条件下求解弯曲角度。尺度分析表明，在一定的设计约束下（如保持LCE长度和厚度不变），弯曲性能与机器人尺度并非简单的单调关系。例如，在生长压力（p_g）下，直径为5毫米的机器人能实现最大的弯曲角度。模型还揭示了压力控制下角度与压力呈线性关系，而温度控制则呈现非线性关系。

机器人特性表征

实验表征验证了模型预测。结果表明，通过压力控制（LCE温度恒定在65°C），机器人能实现36°至101°的弯曲角度。通过温度控制（压力恒定在18.2 kPa），弯曲角度也可随温度升高而增大。研究还探讨了LCE厚度和机器人直径的影响。较厚的LCE能提供更大的驱动力，但也提高了生长压力；较小的机器人直径虽能实现更大弯曲，但壁厚与直径之比的增加会带来额外的弯曲刚度。研究还观察到压力调制存在一定的滞后现象，而温度控制则更为一致。

机器人转向控制方法

为了展示在多弯曲路径中的导航能力，研究团队制造了一个集成了六组加热器和致动器的300毫米长机器人。他们比较了三种控制方法在引导机器人通过具有三个路径点（分别需要30°、45°和60°/100°弯曲）的曲折环境中的表现。压力控制方法通过调节单一压力值来控制所有弯曲角度，但会相互影响。温度控制方法能独立控制每个弯曲角度，但在较高压力下角度范围受限。混合控制方法结合了前两者的优点，能更灵活地控制机器人形态。实验证明，单一机器人设计能够通过激活不同的致动器组合来导航多种不同的高曲率路径。

机器人应用

通过狭窄缝隙导航：机器人成功穿过了仅为其直径50%宽的狭窄缝隙，并在之后仍能正常转向和生长，凸显了其完全软体结构的优势。

面向医疗应用和检测任务：与传统的推入式机器人相比，翻转机器人施加于环境的力量显著降低。在医疗应用演示中，一个直径5毫米的机器人成功导航了一个具有挑战性的III型主动脉弓模型，并进入了头臂干（BCT）、左颈总动脉（LCCA）和左锁骨下动脉（LSCA）。在工业检测演示中，一个集成微型摄像头的7毫米直径机器人展示了在复杂喷气发动机模型内部进行三维转向和检测的能力，成功到达了多个预设目标位置。

讨论与结论

本研究成功开发了一种基于LCE集成软皮肤的小型化、可转向、全软体翻转机器人。通过创新的设计和制造工艺，研究人员将功能性元件无缝嵌入机器人皮肤，使其在保持极薄形态和柔韧性的同时，获得了强大的局部转向能力。系统的建模、尺度分析和实验表征深入揭示了机器人系统的力学特性和控制规律。多种控制策略的提出和验证为实际应用中的精确操控提供了灵活方案。

该机器人在狭窄空间穿行、导航复杂曲折路径以及执行具体任务（如血管模型导航和引擎内部检测）方面的成功演示，充分证明了其解决实际问题的潜力。虽然当前LCE的驱动温度（最高65°C）对于体内医疗应用可能过高，但研究指出LCE的化学组成可以调整以降低相变温度（例如至35-45°C），使其更适合生物医学应用。

这项工作的意义不仅在于推动了可转向软体翻转机器人的发展，其功能化软皮肤的设计理念也可广泛应用于其他软体机器人平台，如可穿戴触觉设备、软体抓取器和 locomotion（移动）软体机器人等，这些领域都对驱动器的薄厚度、柔软性和机械顺应性有严格要求。未来，通过集成柔性传感器实现闭环控制、结合形状锁定机制以保持形态，以及进一步微型化和优化致动器布局，将能进一步拓展这类机器人的能力，使其在更多精密和受限环境中发挥关键作用。