颗粒-弹性体混合堵塞变刚度软体执行器

《Advanced Intelligent Systems》：Hybrid Granular–Elastomer Jamming With Confinement-Mediated Stiffening

　　

中文摘要翻译 软体变刚度执行器已成为软体机器人领域中一种前景广阔的解决方案，其兼具高形状适应性和承载能力。基于堵塞的方法被广泛用于通过限制颗粒、片层或纤维等材料的运动来调节刚度。然而，传统的颗粒堵塞可能表现出堆积历史依赖性和循环间的变异性，而层堵塞和纤维堵塞则表现出方向性刚度和几何依赖的变形约束。结构化堵塞和拓扑堵塞可以通过预设的组织来减少颗粒重排，但它们依赖于离散或多层架构，并受到几何依赖的变形约束。为解决这些挑战，本研究引入了一种颗粒-弹性体混合堵塞介质，能够在保持可编程形状的同时实现各向同性的刚度调制。除了传统的颗粒接触和摩擦相互作用外，所提出的机制还利用了真空下互连弹性体网络的约束增强效应，为有效刚度提供了额外的压力依赖性贡献。同时，这些弹性体互连抑制了随机颗粒运动，增强了重复性，并在非堵塞状态下也能维持形状完整性。该执行器支持平滑的三维变形，包括弯曲、折叠和扭转，同时通过真空驱动实现连续的刚度调节。其实现了8倍的刚度提升，并适应多种形态因素，为先进的软体机器人应用提供了一个可扩展且多功能的平台。

论文解读文章

一、研究背景与问题

软体机器人因其柔顺性和连续变形能力，在复杂环境适应方面展现出巨大潜力。然而，固有的低刚度限制了其承载和力传递能力。自然界中生物通过动态调节自身机械性能（如章鱼触手、鱼鳍和人类舌头）为这一难题提供了启示。为此，研究人员致力于开发变刚度软体机器人系统。现有变刚度技术各有局限：低熔点合金（LMPA）响应慢；磁流变液和电流变液需庞大硬件；形状记忆材料受限于热传导动力学；介电弹性体虽响应快但需高电压且力输出有限。相比之下，堵塞机制提供了一种纯机械的刚度调节途径，通过施加外部压力或真空限制内部构件的相对运动来实现状态转变。然而，传统颗粒堵塞存在堆积历史依赖性和循环间变异；层堵塞和纤维堵塞具有方向性且变形受几何约束；结构化或拓扑堵塞虽能减少随机重排，但其设计高度依赖特定拓扑结构，限制了形状自由度。因此，亟需一种既能实现各向同性刚度调制又能保持高几何适应性的新型介质。

二、研究内容与结论

为克服上述局限，研究人员提出了一种颗粒-弹性体混合堵塞介质。该介质将离散颗粒通过弹性体网络物理互连，在常规颗粒接触和摩擦增刚的基础上，引入了真空诱导的弹性体约束增强机制。实验表明，该执行器可实现高达8倍的刚度变化，支持弯曲、折叠、扭转等三维变形，且在堵塞前后外形尺寸无显著变化，实现了形状与刚度的独立控制。该工作建立了混合堵塞作为软体机器人领域一种可扩展、多功能平台的可行性。

三、关键技术方法

研究人员采用的主要技术方法包括：1）通过模具浇铸固化制备颗粒-弹性体混合介质，使用带中心孔的塑料颗粒以确保气流通道；2）利用真空泵配合精密压力调节器控制真空度，实现刚度连续调节；3）采用万能试验机进行压痕测试和三点弯曲测试，表征不同组分比和真空度下的力学响应；4）建立简化二维流阻分析模型并结合实验验证，评估弹性体连接对气动响应速度的影响。

四、研究结果

1. 颗粒-弹性体比例的影响

通过对比30:4、30:5和30:6三种重量比的样品发现，在未堵塞状态下，各组刚度差异不大；而在-95 kPa真空下，弹性体含量最低的30:4样品刚度最高（3.56 N/mm），这是因为较薄的弹性体连接受到更强的侧向约束，提高了形状因子，抑制了横向膨胀。但过低的弹性体含量会导致样品撕裂，因此30:4被视为兼顾刚度与结构完整性的最优比例。

2. 真空水平与刚度的关系

固定30:4比例，在0至-95 kPa六个真空水平下测试发现，刚度随真空度单调递增。这是由于真空压实增强了颗粒约束，进而限制了弹性体网络的横向变形，使其从剪切主导模式转向体积主导模式，同时引入了压缩预应力。此外，在整个压力范围内，样品外部尺寸无显著变化，表明刚度调节不依赖体积改变。

3. 制造重复性与变形耐久性

三个独立批次制备的矩形样品在0 kPa和-70 kPa下的弯曲刚度分别为0.125±0.006 N/mm和0.590±0.012 N/mm，批间变异系数小于5%，显示良好重复性。局部弹性体连接断裂后，未堵塞状态下刚度下降75.2%，而堵塞状态下仅下降17.7%，说明堵塞状态下颗粒接触和摩擦仍能维持大部分承载能力。

4. 形状适应性演示

120×120×5 mm的平面执行器在未堵塞状态下可进行双向拉伸、180°折叠、卷曲、扭转等复杂二维和三维变形，并在真空下稳定保持形状。释放真空后迅速恢复原状，体现了弹性体网络的形状记忆功能。

5. 承载能力演示

未堵塞时执行器无法支撑自身重量；堵塞后可承受500 g负载而不坍塌。在不同二维和三维编程形状下，堵塞均能显著提高刚度，证明刚度调节能力与形状解耦。此外，圆柱壳原型也展示了类似的真空可控刚度特性。

6. 驱动速度

在-60 kPa下进行压痕测试，当位移达3 mm时突然释放真空，结果表明从堵塞到非堵塞的过渡时间小于1秒，证实弹性体连接未引入显著气动延迟，满足实时刚度调节需求。

五、总结讨论与研究结论翻译

本工作提出了一种颗粒-弹性体混合堵塞介质，通过将颗粒与柔性弹性体网络物理互连，实现了连续可逆的刚度调制和弹性形状恢复，同时保留了复杂的编程形状。与传统颗粒堵塞仅依赖摩擦力链不同，该混合体系引入了约束增强的弹性体贡献：真空压实既增强了颗粒接触和摩擦传力，又通过限制弹性体连接变形和引入压缩预应力提供了额外刚度。颗粒与弹性体的比例是关键设计参数，过低会降低机械鲁棒性，过高则会削弱约束增强效果。真空压力可作为连续有效的刚度控制输入，且刚度变化不伴随外形尺寸改变。该介质可通过模具直接成型为平面、曲面、空心等多种几何形态，无需重新设计拓扑结构。与结构化堵塞相比，其分布式弹性连接允许大的局部和复合变形（如180°折叠、45°-90°尖角折叠、360°扭转）。研究还指出，颗粒尺寸、形状、中心孔几何以及弹性体性质等因素尚需系统探究，当前的分析模型仅为初步物理解释，未来需发展耦合颗粒接触与弹性体网络的定量本构模型。总体而言，颗粒-弹性体混合堵塞作为一种可模塑的变刚度介质，结合了大变形能力、弹性形状恢复、压力控制的刚度调制、有限的外部几何变化以及模具定义的形式因素，为软体机器人系统提供了一种兼具几何适应性和可控力学性能的互补方案。