不受传统控制机构束缚，东京工业大学开发灵巧的三维薄膜软机器人

导读

当试图构建机器人系统时，都必须执行组装过程。即便是以柔软灵活著称的软体机器人，当其与庞大沉重的控制机构和电缆连接，也被大大限制了灵活性。科学家们认为，未来的软机器人必须具有与执行器，传感器和控制器集成在一起的主体。为了实现这一目标，在构建机器人系统时不仅要从机构和控制的角度来思考，还必须涉及到材料和制造过程。最近，东京工业大学提出了一种不需要传统组装过程的薄膜软机器人的新概念，使用了离子聚合物金属复合材料（IPMC）和新颖的3D制造方法。让我们一起看看吧。

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图1. IPMC 材料制作的薄膜蝴蝶机器人

IPMC复合材料制成的多种机器人

东京工业大学创造了各种类型的IPMC机器人。除了蝴蝶，还有奇虾，纸飞机和海星。

图2. 不同类型的IPMC机器人

先让小编给大家介绍什么是IPMC，它是由离子交换膜和电极组成的聚合物执行器，也称为离子聚合物金属复合材料，是最轻巧，最灵活的聚合物执行器之一。与其他EAP（例如介电弹性体和液晶弹性体）相比，IPMC执行器的驱动电压更低，在施加电压时会弯曲。它还具有高响应度，运行安静的特点，可以在水中运行，另一方面，IPMC在受到外力弯曲时会产生电动势，可以起到传感器的作用。由于这些优点，它已广泛应用于多种仿生机器人中。但是这些机器人多数是通过切割和组装平板状IPMC执行器来制造的，在构建机器人形状时需要机械组装和电子布线。为了开发具有更高设计自由度的机器人，东京工业大学的研究人员创建了两种制造任意形状的IPMC致动器的解决方案。

IPMC机器人的多层浇铸工艺

作为创建可以执行大变形的形状更自由的IPMC执行器的解决方案，研究人员提出了多层浇铸工艺，可以实现准三维膜的精确生产。

图3.IPMC机器人的3D模型

图4.多层浇注工艺的过程

过程描述如下：

1.  从模具的最深处逐层浇铸Nafion分散体溶液。

2.  在50℃下干燥浇铸溶液并完全蒸发有机溶剂

3.  重复步骤（1）和（2），直到获得目标膜形状

4.  将形成的膜加热到100 ∘C使其不溶，再从模具中剥离

5.  膜形成后，进行化学镀金，因为它可以在膜的表面上形成电极。

蝴蝶机器人和奇虾机器人都是通过这种方式制造的。在化学镀金后，还对机器人进行了边缘处理工艺。

蝴蝶机器人在边缘处理过程中，调整了每个翅膀的形状，并使它们具有不同的共振频率，从而左右翅膀可以分别单独驱动。

图5.通过多层浇铸工艺制造的蝴蝶机器人的俯视图，主体部位约有1400个 μ米厚，机翼部分约120 μ米的厚度。

蝴蝶的右翼和左翼分别在5.8 Hz和7.9 Hz处具有峰值，并且两个谐振点均发生了偏移。利用该特性，下图示出了左右翼由一个输入电极分别驱动的情况。

图6.蝴蝶机器人在5.8Hz下驱动右翅膀拍打

图7. 蝴蝶机器人在7.9Hz下驱动左翅膀拍打

奇虾机器人的驱动原理也差不多，每个鳍被边缘处理成不同的厚度，具有不同的共振频率。

图8.通过多层浇铸工艺制造的奇虾机器人的俯视图：主体部分和支座部分约有500 μm和600 μm厚，机翼部分约180 μm厚，尾巴大约有1900μm厚。

奇虾机器人具有嵌入式驱动电路，是由微控制器和Nch MOSFET组成的振荡器电路。使用锂聚合物电池作为电源。该电路的大小约为1美分硬币，将电路插入奇虾机器人的支架中，可以实现自持驱动。

图9.嵌入式驱动电路插入奇虾机器人的支架中

当将夹形电路插入到Anomalocaris型MTFR的固定器部分时，每个散热片开始弯曲运动。即使在水下，鳍片也继续移动，并且可以确认在特定方向上的运动状态。

图10.奇虾机器人的鳍片可自我维持动力并移动

图11.水下测试，奇虾机器人的平均游泳速度为2.3mm/s

制作3D形状的IPMC机器人

蝴蝶和奇虾机器人都是通过在模具中进行多层浇铸工艺制造的2D机器人，研究人员还用了类似的方法直接构造任意三维形状的IPMC机器人。3D形状的机器人不需要使用模具，只需要预先用纤维织物叠出想要的三维机器人形状，浸泡在Nafion分散液中，剩下的步骤和上节中小编介绍的多层浇铸工艺的步骤相同。

图12.3D制作千纸鹤IPMC机器人的动态过程

图13.3D制作千纸鹤IPMC机器人的动态过程

3D机器人由输入电极驱动：

图14.3D千纸鹤IPMC机器人的驱动

图15. 3D纸飞机IPMC机器人的驱动

论文直通车

Akio Kodaira, Kinji Asaka, Tetsuya Horiuchi,Gen Endo, Hiroyuki Nabae, Koichi Suzumori "IPMC Monolithic Thin FilmRobots Fabricated Through a Multi-Layer Casting Process", IEEE Roboticsand Automation Letters, Vol. 4, Issue. 2, pp. 1335-1342, 2019.

https://ieeexplore.ieee.org/document/8626130

Asuka Ishiki, Hiroyuki Nabae, Akio Kodaira,Koichi Suzumori, "PF-IPMC: Paper/Fabric Assisted IPMC Actuators for 3DCrafts", IEEE Robotics and Automation Letters, Vol. 5, Issue. 3, pp.4035-4041, 2020.

https://ieeexplore.ieee.org/document/9057684/media#media

东京工业大学Suzumori Endo Lab实验室主页:http://www-robot.mes.titech.ac.jp/

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