仿河豚振动驱动可变形体软体机器人(PFR)的腔道自适应探索研究

针对厘米级变径管道检测难题，受河豚生物启发，研究人员开发出具有可膨胀软质表皮和柔性棘突的振动驱动软体机器人PFR。该机器人通过不对称摩擦实现无反馈控制运动，可适应1-1.5倍管径变化，穿越90°弯头/T型接头，产生20-35倍体重的推进力，其空心结构允许流体通过，为复杂管道检测提供创新解决方案。

　　

在工业管道网络、航空液压系统等密闭空间中，厘米级变径管道的检测长期面临重大挑战。传统刚性机器人难以适应复杂管道几何变化，而现有软体机器人又存在尺寸适应性有限、流体通过性差、控制复杂等缺陷。受河豚(学名：Tetraodontidae)遇险时膨胀躯体并竖起棘刺的生物机制启发，研究人员创新性地开发出具有形态自适应能力的振动驱动软体机器人PufferFace Robot(PFR)。

这项发表在《SCIENCE ADVANCES》的研究通过融合仿生学原理与软体机器人技术，采用Dragon Skin 10硅胶(邵氏硬度10A)构建可膨胀至2.5倍原始直径(OD_S=27mm)的软质表皮，集成径向分布的柔性棘突阵列。关键技术包括：(1)基于Yeoh模型的超弹性材料有限元分析；(2)振动频率(64-192Hz)与压力参数(20-26kPa)的协同控制；(3)动态显式仿真验证管道通过性；(4)空心框架集成纳米级摄像头(NanEye)的检测系统。

【机械设计与制造】
通过3D打印构建内径12mm(ID_F)的刚性空心框架，采用模铸工艺制造1mm厚、含14个径向棘突的环形软皮肤。ABAQUS仿真显示在30kPa压力下可实现150%应变，实验证实其可适应41mm管径(1.5×OD_S)。

【运动模式】
创新性提出三种驱动策略：模式1(纯振动)在等径管道中速度达0.7BL/s(体长/秒)；模式2(纯充气)产生35倍体重的锚定力；模式3(振动-充气协同)实现0.6BL/s运动速度，通过控制平均泄压速率Df_r^a=1.3kPa/s优化位移。

【推进力测试】
在30-41mm管道中，23kPa压力与192Hz振动组合产生最佳性能。压力曲线特征值P_M3^B和P_M3^S分别决定运动启动/停止阈值，垂直管道中最小维持压力为9-13kPa。

【关键区域通过性】
实验验证PFR可穿越90°弯头、T型三通(转向通过反转偏心质量旋转方向实现)及变径过渡区(小→大管径成功率更高)。配套开发的2D简化仿真模型能准确预测实际通过性，误差主要来自线缆摩擦等未建模因素。

该研究通过生物启发设计解决了三大核心问题：(1)形态自适应方面，软皮肤可实时匹配1-1.5倍管径变化；(2)流体兼容性方面，空心结构允许持续介质流动；(3)控制简化方面，仅需调节振动频率f和压力P_M3即可实现复杂环境导航。尽管当前版本需外接气源，但研究建立的仿真框架为后续无缆化改进提供了可靠设计工具。这项成果为工业检测、医疗内窥等领域的微型机器人开发提供了新范式，特别是其产生的20-35倍体重推进力指标，显著超越了同类振动驱动设备的性能极限。未来工作将聚焦棘突图案优化和压力-速度数学模型构建，进一步提升在油气管道、飞机液压系统等实际场景中的应用潜力。