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现有软气动执行器多以正压驱动，存在体积增大、爆炸风险等问题。研究人员开展了负压驱动软执行器研究，设计非对称分布孔结构实现弯曲变形，制成多种软夹具和爬行机器人。该研究为软执行器和机器人发展提供新方向。
在科技飞速发展的当下，机器人领域的研究不断取得新进展。传统的刚性机器人，虽然在精度和力量方面表现出色，但在面对复杂、多变且充满不确定性的环境时，却显得力不从心。比如在与脆弱物体交互、在狭小空间作业，或是在不规则表面移动时，刚性机器人的 “硬脾气” 让它们很难灵活应对。而软执行器的出现，为解决这些难题带来了新希望。
软执行器凭借其独特的柔性和适应性，能够轻松适应各种复杂环境，与脆弱的物体进行安全、温和的交互，在医疗护理、农业采摘、工业精密操作等众多领域展现出巨大的潜力。其中，软气动执行器因其较大的驱动力、快速的响应时间和高工作密度等优势，成为了研究的热门方向。然而，现有的软气动执行器大多依赖正压驱动，这一驱动方式存在诸多弊端。在实际应用中，正压驱动的软气动执行器工作时体积会显著增大，在空间有限的场景下，这一特性极大地限制了其使用。此外，为了产生足够的驱动力，需要施加较大的正压，这又带来了爆炸的风险，存在严重的安全隐患。
为了攻克这些难题，推动软气动执行器领域的发展，国内的研究人员开展了一项极具创新性的研究。他们致力于设计一种新型的软执行器，通过独特的结构设计，使其能够在负压驱动下实现高效、安全的运行。研究人员提出了利用非对称分布的弯曲单元，在带孔结构上诱导非对称弯曲变形，以此来开发新型软执行器和机器人。
这项研究成果意义非凡。它为软气动执行器的设计提供了全新的思路和方法，有效解决了传统正压驱动软气动执行器存在的体积增大和安全隐患等问题，拓展了软气动执行器在更多领域的应用可能性，对推动机器人技术的发展具有重要的理论和实践价值。该研究成果发表在《Extreme Mechanics Letters》上。
研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下几种关键技术方法：
- 有限元分析（FEA）：利用该方法对软气动执行器结构进行模拟，研究不同几何参数对结构弯曲行为的影响。
- 刚性体运动学模型：通过构建该模型，对结构进行进一步分析，验证有限元分析的结果。
- 3D 打印与材料铸造：采用 3D 打印技术制作模具，再将硅酮材料浇铸其中，从而制备出实验所需的样本。
大变形行为研究
研究人员设计的软气动执行器，其弯曲变形主要由几何非线性控制。在材料内部，孔的分布和排列方式对弯曲行为有着重要影响。在较小的负压输入下，这种结构就能产生较大的变形，这是该执行器性能的关键特性。通过巧妙地设计孔的布局，如改变孔的形状、大小和位置等，实现了对结构弯曲变形的有效控制。
最小功能单元参数分析
研究人员运用有限元方法和刚性体运动学模型，对包含一个椭圆腔和两个圆形腔的最小功能单元结构进行参数分析，深入研究了影响负压下弯曲程度的主要因素。研究发现，圆形孔中心偏离中轴线的位移（u）是对结构弯曲行为影响最为显著的参数。当圆形孔中心偏离中轴线时，在后续的弯曲变形过程中，结构会朝着偏离的方向弯曲。此外，边界厚度（h）等参数也对结构的弯曲变形有一定影响，但相比之下，u的影响更为关键。
实验验证与软机器人应用
基于上述研究成果，研究人员通过扩展最小功能单元，设计出了一种双层结构，该结构能够在两个方向上发生偏转。在此基础上，他们进一步设计出了具有良好抓取能力的双指气动夹具和圆形夹具。双指气动夹具在负压作用下，能够从两侧向中心弯曲，实现对物体的稳定抓取；圆形夹具则在负压作用下向中心收缩，有效抓取物体。此外，研究人员还通过在结构中以波浪形排列孔，成功制造出了一种能够通过循环负压驱动向前爬行的气动软机器人。这些实验验证了研究成果的可行性和实用性，充分展示了非对称穿孔结构在软执行器开发中的巨大潜力。
在研究结论部分，研究人员明确提出，所设计的软气动执行器能够通过改变孔腔的布局，在负压作用下实现不同的最终弯曲变形。通过有限元数值模拟确定，最终结构向一侧的弯曲程度与圆形中心的向上位移（u）和边界厚度（h）相关，且主要取决于圆形中心的向上位移（u）。这一结论为软气动执行器的设计提供了重要的理论依据，研究人员可以根据实际需求，通过精确控制u和h等参数，设计出满足不同应用场景的软执行器。
这项研究为软气动执行器领域开辟了新的发展方向。从理论层面看，深入揭示了非对称分布孔结构在负压驱动下的弯曲变形机制，丰富了软材料力学和机器人学的理论体系。从实际应用角度出发，研究成果有望广泛应用于医疗护理、工业生产、农业采摘、救援探测等多个领域。例如，在医疗护理中，软夹具可以轻柔地抓取和操作医疗器械或患者身体部位；在工业生产中，能够适应复杂环境的软机器人可以提高生产效率和产品质量；在农业采摘中，软执行器可以实现对水果、蔬菜等农作物的无损采摘。未来，随着研究的不断深入和技术的持续改进，基于非对称分布弯曲单元的负压驱动软执行器和机器人将展现出更加广阔的应用前景，为人们的生活和社会发展带来更多便利和创新。
