上海交大谷国迎、朱向阳Science Advances：面向无电子元件软体机器人的多功能双稳态织物机构

气动软体机器人具有柔顺性和安全性，能产生较大的变形与输出力，在柔性抓取、仿生机器人和可 穿戴辅助设备中展现出巨大应用前景。然而这类机器人通常由单片机和电磁阀等电子元件进行气压控制，限制了其全柔性集成以及在电子元件易 失效场景下的应用。 开发柔性气压控制器件来控制气动软体机器人成为研究热点，但是现有技术仍然难以将气动驱动能力和气压控制能力融合到一个简单的软体机构中。

为此，我们提出了一类新的 多功能双稳态织物机构 ， 能够同时作为双稳态驱动器和双稳态阀门来构建自主控制的气动软体机器人 ， 相关成果以“ Soft multifunctional bistable fabric mechanism for electronics-free autonomous robots ”为题发表于 Science Advances 期刊。该双稳态织物机构 兼具气动驱动和气压控制能力，可以 实现快速的弯曲驱动(超过1166°/s)，开/关或连续的气压调节，基本的气动逻辑运算，以及自主的振荡驱动(可达4.6Hz) 。进一步组合多个不同功能的双稳态织物机构，可以开发全软的无电子元件自主控制的软体机器人，例如自主抓取的柔性抓手和自主运动的爬行机器人。

我们测量了 双稳态织物机构的力矩-角度曲线，验证了其双稳定特性，揭示了其能量壁垒和力矩壁垒随尺寸参数和驱动气压的变化规律，为双稳态织物机构设计提供指导。同时，我们表征了双稳态织物机构关于两个腔室内部气压的相图，揭示了双稳态和单稳态分别存在的压力区域，为实现稳态切换指明条件。最后，我们表征了双稳态织物机构作为双稳态驱动器时的性能，其中弯曲速度可超过 1166°/s ，驱动频率可达 1.8Hz ，冲击力在 8N 左右，能正常工作 10000 个周期以上，证明了其优异的驱动性能。

气动回路开关

双稳态织物机构可以配置为多种 气动回路开关 ，响应外部扭矩或位移载荷调节输出压力，实现气动软机器人的 交互控制 。例如典型的 双稳态织物机构可以配置为两位三通气动回路开关，输出供气源气压或者大气压，并且保持当前状态时不需要外界持续输入能量。通过改变机构中织物腔室和软管的数量可以拓展设计形式，例如我们设计了三位三通和二位四通 气动回路开关，其中 二位四通 气动回路开关可以同时输出两个相反的气压。除开/关调节外， 双稳态织物机构也可以配置为模拟 气动回路开关，实现连续的气压调节，从而对软体驱动器进行连续控制，例如控制软体手指的弯曲角度。

图3 气动回路开关

气动逻辑门

将供气源压力视为逻辑1，大气压力视为逻辑0， 双稳态织物机构可以配置为多种 气动逻辑门 ，例如非门、同向门、与门和或门。这些逻辑门 组成一套功能完整的气动逻辑门，为气动软机器人的 自主控制 提供实现布尔运算的平台。

气动振荡器

基于前述的非门，我们设计了在恒定输入下产生周期性振荡的 气动振荡器 。例如将非门的输出端直接反馈输入端构成一个单路振荡器，在恒压供气源下输出振荡气压和振荡运动，其振荡频率随着供气源压力的增大而增大，随着两个织物腔室之间开角的增大而减小，实验中最高为 4.6Hz 。此外，将三个 非门连接成一个环路构成一个三路振荡器，输出具有节律的振荡运动。这些结果表明双稳态织物机构可以复用气动驱动和气压控制功能，实现结构紧凑的智能驱动器。

基于前面所述的多种功能配置，双稳态织物机构能够作为模块来构建全软的无电子元件自主控制的软体机器人，仅需单个恒压气压源供给，依靠机械智能来完成任务。

自主抓取的柔性抓手

我们首先设计了一款 柔性抓手，能够自主检测到物体进行动态抓取 。该抓手主要包括三个功能不同的双稳态织物机构：一个作为两位三通气动回路开关，一个作为双稳态驱动器(手指)，第三个同时作为非门和双稳态驱动器(手指)。此外，还包括一个特殊设计的织物型接触开关，其通常允许气流通过，但在被接触时阻塞气流。在抓取过程中，一旦接触开关与物品相互作用，柔性抓手会立即产生动态抓取，双稳态驱动器(手指)使得其能够快速完成抓取动作，例如成功抓取移动中的铁球(234g, 0.83m/s)。

图6 无电子元件自主控制的柔性抓手

自主运动的爬行机器人

我们也开发了一款 弹跳爬行机器人 ， 尾部受到刺激后能够自主向前运动 。该爬行机器人由三个 双稳态织物机构 组成，其中一个 位于机器人尾部， 作为 两位三通气动回路开关 ，其 粘接 部分延长作为机器人身体，另外两个单路气动振荡器作为机器人腿部连接在机器人身体上。运动过程中，气动振荡器通过持续拍打地面产生连续向前跳跃步态，爬行速度为6.6±0.8 cm/s (0.357±0.043 体长/s)。

图7 无电子元件自主控制的爬行机器人

视频4 无电子元件自主控制的爬行机器人

本文提出了一类新的双稳态织物机构，展现了其在气动驱动和气压控制方面的多功能性，可以配置为双稳态驱动器、气动回路开关、气动逻辑门和气动振荡器等。通过组合多个不同功能的双稳态织物机构，进一步开发了全软的无电子元件自主控制的软体机器人，在单个恒压供气源下实现智能行为。该工作为软体机器人实现全柔性集成和拓宽应用范围提供技术方案，同时对未来探索多稳态的、可重构的和智能的软体结构、驱动器或机器人具有启发意义。

上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所的 博士生杨德志 为论文第一作者， 博士生冯苗 、 硕士生孙佳宁 、 本科生魏业勋 和 邹江副教授 为论文共同作者， 谷国迎教授 和 朱向阳教授 为论文共同通讯作者。该论文得到了国家自然科学基金、 机械系统与振动全国重点实验室的 资助 。