滞后辅助形变技术实现软体连续机器人的多弯曲形态重构与无摩擦导航

《SCIENCE ADVANCES》：Hysteresis-assisted shape morphing for soft continuum robots

本研究针对传统连续机器人"更多驱动器带来更高灵巧性"的设计瓶颈，提出了一种创新的滞后辅助形变(HasMorph)范式。通过倒置锯齿形腱鞘机构(TSM) intentionally利用摩擦诱导的形状滞后现象，仅用两个顺序控制的驱动器即可实现软体连续机器人的可逆多弯曲形变。该技术与尖端外翻软生长机器人(SGR)结合，在非结构化环境中实现了复杂可重构形态和无摩擦的"跟随领导者"导航。力学和运动学模型揭示了摩擦和输入序列如何控制形状演化并扩展机器人构型空间，为微创手术工具和复杂密闭空间自适应检测系统提供了可扩展的解决方案。

　　

在医疗诊断、工业检测等众多领域，如何让机器人进入人类难以触及的狭窄空间一直是个标志性挑战。传统的蛇形连续机器人虽然具有形状自适应能力，但普遍遵循"更多驱动器带来更高灵巧性"的设计范式，导致系统笨重、成本高昂且控制复杂。而新兴的尖端外翻软生长机器人(SGR)通过尖端生长而非滑动插入的方式在密闭空间中穿行，虽然避免了与环境的摩擦，却面临着转向困难和形体重构的挑战。

为了解决这些难题，研究人员在《SCIENCE ADVANCES》上发表了关于滞后辅助形变(HasMorph)软体机器人的创新研究。这项研究颠覆了传统机器人学中视滞后现象为缺陷的认知，转而将其转化为实现复杂形变的有利工具。

研究团队开发的核心技术包括：(1)倒置锯齿形腱鞘机构(TSM)，通过3D打印制造具有特定角度的弯曲鞘段；(2)基于气囊梁的软体机器人本体结构，采用塑料薄膜材料制备；(3)多模式运动控制系统，整合气动压力与肌腱张力控制；(4)力学建模与运动学分析，通过改进的Capstan方程和伪刚体模型描述系统行为；(5)实验验证平台，包括摩擦力测试台、屈曲测试装置和运动捕捉系统。

概念和设计原理

研究团队设计了一种由两个倒置锯齿形TSM驱动的充气梁结构。每个肌腱从基座延伸到尖端后，通过一系列附着在充气梁内壁的短弯曲鞘段返回基座，形成倒置的锯齿形路径。这种设计使得拉动肌腱时，充气梁会在鞘段间隙处产生局部屈曲和弯曲，且弯曲会从尖端向基座顺序传播。关键在于，肌腱在加载(拉动)和卸载(释放)阶段会产生形状滞后，即机器人在这两个阶段的形状不同，通过改变两个肌腱的拉/放序列和幅度，就能产生众多复杂的多弯曲形状。

尖端外翻与形变机器人

将充气梁结构外翻即可转化为尖端外翻的SGR。机器人具备四种主要运动模式：直线生长、外部褶皱诱导转向、耦合生长与转向以及尖端缩短。特别值得注意的是耦合生长与转向模式，机器人能够在生长过程中通过两侧差异化的材料释放来改变方向，同时身体后部会动态调整形状以跟随尖端轨迹，展现出"跟随领导者"行为。

力学分析

研究表明，尖端到基座的顺序运动源于肌腱张力从尖端到基座的递减特性以及每个充气梁段屈曲的突跳力-变形特性。弯曲鞘段会通过累积角度增加肌腱的摩擦力，导致张力沿肌腱衰减。实验确定了最佳鞘段特征角度为25°，此时既能保证顺序运动，又不会对电机和肌腱造成过大负荷。

运动学分析

研究团队开发了一种改进的伪刚体模型来描述机器人的独特运动特性。该模型将驱动空间(肌腱位移输入)映射到构型空间(每个段的弯曲角度和长度)，最终映射到任务空间(尖端位姿)。验证实验显示，模型预测形状与实验结果的相对误差低于1%，证实了模型的有效性。

应用验证实验

通过一个由两个肌腱驱动的三节段机器人，研究展示了HasMorph概念的强大能力。理论上，n节段机器人可产生3ⁿ种 distinct configurations，而传统连续机器人需要2n个肌腱才能实现类似效果。实验验证了27种不同构型，展示了机器人通过形变和尖端缩短到达目标物体的能力。

在复杂环境导航测试中，一个1.2米长的机器人成功展示了其通过"跟随领导者"生长、可逆转向和尖端缩短在杂乱环境中导航的能力。机器人能够形成多弯曲复杂体形避开障碍物，同时保持可逆转向和尖端延伸。

讨论与结论

这项研究证明了HasMorph概念能够利用形状滞后现象，通过交替两个肌腱驱动器的驱动序列来实现软体连续机器人的可逆、多节段弯曲，显著扩展了机器人的构型空间和工作空间。与传统方法相比，这种新范式将滞后从限制因素转化为功能特性，为软体机器人设计提供了全新思路。

虽然当前研究限于平面运动，且摩擦累积限制了机器人的工作长度，但这项研究为微创手术工具和复杂密闭空间自适应检测系统奠定了坚实基础。未来工作将专注于优化倒置锯齿形鞘几何结构、三维形变变以及可变刚度模块开发，进一步提升系统性能。这项研究通过重新定义滞后现象的功能角色，为连续机器人和新兴SGR的形变控制建立了创新框架。