用于软体机器人快速充气的多级文丘里放大器

《Advanced Intelligent Systems》：A Multistage Venturi Amplifier for Rapid Inflation of Soft Robots

　　

充气机器人（inflatable robots）在放气状态下可实现紧凑存储和便捷运输，并可按需部署。然而，现有充气方法在充气速度、设备尺寸与复杂度以及最大可达压力之间存在权衡。研究人员展示了面向软体机器人系统的放大器式充气装置（amplifier inflator for soft robotic systems，AIRS），这是一种紧凑、轻量且高效的设备，可快速将充气结构部署至高压状态。通过将止回阀（check valve）与基于文丘里效应（Venturi effect）的空气引射器（air entrainer）集成，AIRS首先提供高流量输出，随后维持持续加压，从而支持软体机器人的快速充气和稳定运行。研究人员展示了AIRS将一只充气机器人手臂从口袋大小的折叠形态在5 s内扩展至其初始体积的50倍以上的能力。AIRS为软体充气机器人提供了快速、按需部署的解决方案，并在人机交互、医疗保健和救援领域具有多学科应用潜力。

论文解读：面向软体机器人快速充气的多级文丘里放大器

研究背景与问题：充气机器人因其低密度、高适应性和高柔顺性，在与人类或脆弱物体碰撞时损伤风险低，适用于人机交互、可穿戴设备、可部署结构等场景。然而，现有充气技术存在固有矛盾：基于鼓风机的系统能够通过高流量实现快速充气，但持续耗电且压力有限；基于泵或压缩气体的系统可产生高压，但依赖空压机等笨重硬件，且充气速度较慢。因此，亟需一种既能快速充气又可实现高压保持的紧凑型充气设备。针对这一需求，研究人员提出了放大器式充气装置（AIRS），其核心创新在于将文丘里空气引射器与被动止回阀结合，通过被动切换实现高流量充气与高压加压的自动过渡。该研究发表于《Advanced Intelligent Systems》。

研究内容与结论：研究人员设计并制造了AIRS，系统表征了其充气性能、流量特性及构型影响，并将其应用于可部署软体机器人手臂。实验表明，AIRS能够在50 L气球测试中先以270 L min^?1的高流量在10 s内完成充气扩张，随后在9 s内将压力提升至5.5 kPa；对于980 L大气球，AIRS仅需56 s即可完成充气，远快于鼓风机（163 s）和空压机（504 s）。此外，AIRS驱动的口袋大小机器人手臂可在5 s内实现超过50倍的体积膨胀，并支持后续的可控驱动。该装置克服了传统充气设备高流量与高压之间的权衡，为软体机器人提供了快速且可重复的充气方案。

关键技术方法：研究人员利用3D打印技术制造了AIRS的止回阀框架和空气引射器主体，采用聚乳酸材料和聚氨酯薄膜制作阀膜；柔性版本使用类橡胶光聚合物打印。实验系统集成了压力传感器和流量传感器，通过数据采集卡记录数据，输入气压由空压机或便携气瓶提供。研究比较了AIRS、开放式模型（无阀、完全敞开）、封闭式模型（无阀、完全封闭）以及商用文丘里设备，并测试了不同出口开启率对背压和流量的影响。实验中使用了约50 L热封聚乙烯气球和约980 L聚酯纤维气球作为负载。

研究结果分述如下：

3.1 充气性能：通过简化充气过程为未充气（S1）、已充气未加压（S2）和已充气加压（S3）三种状态，对比了高流量低压泵（Pump I）、低流量高压泵（Pump II）和AIRS。Pump I只能完成S1到S2，Pump II虽能达到S3但耗时46 s，而AIRS以10 s完成S1到S2，再以9 s达到S3，同时实现快速性和高压性。

3.2 流量特性表征：止回阀作为流量调节关键部件，其框架遮挡了约21%的吸入面积，导致AIRS流量低于完全敞开模型，但仍远高于商用产品。背压的增大会降低流量，而阀的位置对流量影响可忽略。该结果表明，通过优化阀框架和膜片设计可进一步提升AIRS流量。

3.3 AIRS构型的影响：使用50 L气球进行动态充气实验，开放式模型因无法阻止回流，压力仅维持在0.8 kPa；封闭式模型不支持文丘里效应，流量低且充气慢；AIRS则展示了双阶段行为：高流量阶段（阀打开，文丘里效应产生高流量）和加压阶段（阀关闭，压力从0.2 kPa升至5.5 kPa）。使用小尺寸CO₂气瓶驱动时，AIRS可达到1139 L min^?1的峰值流量，并在6 s内完成充气，证明了便携气源供能的可行性。

讨论与结论总结：研究人员指出，AIRS通过被动关闭止回阀实现了从高流量充气到高压加压的模式切换，无需主动控制，简化了充气系统。该方法适用于多种充气软体机器人和可部署结构。未来工作将探索将空气引射机制用于主动放气或真空辅助回缩，从而实现双向气动控制，丰富软体充气机器人的功能。研究结论部分指出：本研究提出了AIRS这一新型气动充气装置，利用文丘里效应产生高流量实现初始充气，第一阶段结束时的背压自动关闭止回阀，进入第二阶段加压，从而克服了传统设备高流量与高压之间的权衡，优化并简化了软体机器人的充气策略。研究人员还展示了AIRS使口袋大小的充气机械臂在5 s内实现超过50倍的体积膨胀，并能在快速部署后产生可控运动。该方法具有应用于广泛充气软体机器人和可部署系统的潜力。未来工作将探索空气引射机制在主动放气或真空辅助回缩中的应用，快速充气与放气的结合将提供双向气动控制，增强软体充气机器人的能力与功能。