编辑推荐：
在软体机器人研究中，为解决现有形状变形方法的局限，研究人员开展了基于气动扭带（PTS）的形状变形研究。结果显示，PTS 能有效实现软基体局部大曲率弯曲等。该研究为软体机器人发展提供新途径。
在科技飞速发展的当下，软体机器人凭借其独特的柔性和适应性，成为科研领域的热门话题。然而，其形状变形技术却面临诸多挑战。传统的基于应变失配的变形方法，在实现软体机器人的大曲率弯曲等极端几何构型时困难重重，而且常用的刚度调制方法不可调，使得软体的弯曲方向难以改变。同时，响应材料虽性能优越，但设计空间受限，成本高昂且制造过程不稳定。在这样的背景下，开展新的形状变形技术研究迫在眉睫。
香港大学的研究人员针对这些问题，开展了一项极具创新性的研究。他们受到莫比乌斯带（M?bius strip）形状的启发，提出了一种全新的形状变形方法 —— 利用气动扭带（Pneumatic Torsion Strip，PTS）来实现软体机器人的形状变形，并将研究成果发表在《Nature Communications》上。这项研究意义重大，为软体机器人形状变形技术开辟了新的道路，有望推动该领域的进一步发展。
研究人员在开展此项研究时，运用了多种关键技术方法。在材料制备方面，采用多种商业可得的材料制作 PTS，如低密度聚乙烯（LDPE）、尼龙（Nylon）等。实验测试上，搭建实验平台，利用扭矩传感器测量 PTS 充气时产生的扭矩，使用惯性测量单元（IMU）进行体关节操纵测试，还通过力传感器、激光位移传感器等对形状变形基人工肌肉（SAM）进行等张测试 。
下面来看具体的研究结果：
- 局部弯曲软基体：PTS 由弯曲和扭转不可伸长的扁平管（气囊）带形成，其固有弹性能倾向于使软基体弯曲。软基体借助 PTS 可在几乎任何位置实现大曲率范围的局部弯曲（最大局部弯曲角度接近 360°） 。而且 PTS 有两种对称几何形状，能使软基体向外或向内弯曲，二者可相互转换。
- 几何模型：通过将 PTS 的中心线和准线视为两个对称椭圆螺旋的拼接，建立了其几何模型。一旦确定端部间隙、条带长度和宽度等参数，就能确定 PTS 的几何形状。
- 弹性能量：研究分析了 PTS 弹性能与几何形状及材料属性的关系，得出其弹性能受几何设计和材料属性共同影响的结论。弹性能计算公式为Vb=2YI(∫H2dA?∫HU2dAU)+2AcsPAPI(∫H2dA?∫HU2dAU)，该公式表明了各因素对弹性能的影响方式 。
- 输入气压相关行为：实验表明，PTS 的扭矩输出与输入气压呈线性比例关系，多层 PTS 的扭矩输出可视为相应层数单层 PTS 的集体效应。并且，随着软基体弯曲角度增加，PTS 产生的扭矩会线性减小。
- 不同材料制成的 PTS 性能：采用五种不同材料制作 PTS 进行测试，发现材料的固有属性仅影响 PTS 的初始弹性能或初始扭矩输出（输入压力P=0时），且初始扭矩输出与材料的杨氏模量成正比。充气后，扭矩输出增量仅与输入压力有关。不过，薄壁 TPU 条带因杨氏模量最小，充气时宽度会增大，导致其扭矩输出增量比其他四种条带大 。
- 改变几何参数调整 PTS 性能：研究了端部间隙、条带长度、宽度和端部扭转角等几何参数对 PTS 性能的影响。如端部间隙增大时，扭矩先减小后在临界点反弹；条带长度增加，扭矩单调减小；条带宽度增加，扭矩指数增长；端部扭转角增大，扭矩和驱动体关节的角速度均单调增加 。
- PTS 对体关节的操纵：利用 PTS 驱动和控制单个体关节，实验显示体关节的旋转角度由 PTS 的扭矩输出控制，且与输入压力线性相关。在 100kPa 压力下，峰值扭矩输出可达 1.44 Nm 。结合正负 PTS，可实现体关节的双向驱动和快速定位。
- PTS 在软体机器人中的应用：设计 PTS 阵列（PTSA），通过交替分布或顺序分布，可使软体实现面内收缩或面外卷曲等特定变形。研究人员探索了 PTSA 在多种软体机器人应用中的可能性，如形状变形基人工肌肉、双模式移动机器人、米尺度可变形地毯和仿生蛙舌。形状变形基人工肌肉最大收缩比与变形形状相关，在 150kPa 压力下，特定 SAM 原型收缩超 40%，产生 74.2N 力输出 。双模式移动机器人有爬行和滚动两种运动模式，爬行速度为每秒 0.4 个车身长度，滚动模式可克服超 10 倍身高的障碍物。米尺度可变形地毯在 PTSA 操纵下能实现多种形状变化和滚动运动，还能像植物卷须一样卷曲。仿生蛙舌可模拟捕食过程，伸出和缩回时间分别为 0.5s 和 0.7s。
- PTS 的可靠性和可扩展性：对单层 LDPE 的 PTS 进行超 15000 次驱动体关节测试，其性能无明显下降，证明了可靠性。同时研究了微尺度和大尺度 PTS 的可能性，微尺度 PTS 制造可能因厚度限制遇到困难，大尺度 PTS 则需考虑材料抗拉强度以避免充气时破裂 。
研究结论表明，PTS 具有依赖输入压力的弹性能，可实现对软基体局部曲率的可调操纵。与传统基于应变失配的变形方法不同，它直接对软基体施加扭矩，不产生面内应变且不影响基体固有刚度 。通过调整 PTS 的几何和材料因素，可实现对其扭矩输出的控制，进而精确控制软基体的形状。这一研究成果为软体机器人，尤其是大规模软体机器人的变形提供了新的有效途径。不过研究也面临一些挑战，如 LDPE 管在高输入压力和大负载下易起皱，微尺度 PTS 制造困难，当前手动装配方式有待改进等 。未来研究可针对这些问题展开，进一步挖掘 PTS 在软体机器人领域的应用潜力，推动该领域的发展。
