软体机器人凭借其卓越的柔顺性和环境适应能力，在医疗康复、工业制造和服务机器人等领域展现出广阔的应用前景。力学超材料是经过精心设计的人工材料，具有自然材料所不具备的独特性能。通过优化微观结构设计，这些超材料能够实现极端且可编程的力学性能，如负泊松比和可调刚度等。将力学超材料作为专用机器人皮肤，能够实现气动软体驱动器的可控弯曲和膨胀变形。同时，超材料皮肤可以根据需求轻松安装或拆卸，为设计迭代、维护和定制提供了灵活性和便利性。
基于此，四川大学安宁团队提出了一类力学超材料启发的机器人皮肤，该皮肤能够赋予软体气动驱动器可编程的弯曲变形能力。通过实验与数值模拟相结合的方式，验证了超材料机器人皮肤在调控软体驱动器弯曲曲率及环向膨胀率的有效性。随后，通过参数化分析研究了超材料皮肤几何参数的变化对软体驱动器变形行为的影响规律。通过调整超材料皮肤中单胞的几何参数与排列方式，实现了多种表现复杂弯曲行为的仿生软体驱动器设计。相关工作以“Robotic skins inspired by auxetic metamaterials for programmable bending of soft actuators”为题发表于Materials & Design, 并被选为第246期期刊封面。
图1展示了本研究中负泊松比（NPR）和正泊松比（PPR）单胞的结构，NPR和PPR单胞的周期性阵列构成了有限尺寸的超材料结构，该结构被卷成圆柱壳形状形成机器人皮肤。将机器人皮肤包覆在薄壁软管外，形成封闭式气动驱动器。当空气充入软管时，超材料皮肤引发的不对称形变使得驱动器产生弯曲变形。
图1 力学超材料启发的机器人皮肤实现软体驱动器的可编程弯曲图2阐明了环向和纵向方向上的单胞数量的变化对软体驱动器性能的综合影响。在恒定充气体积 75 mL 的情况下，增加纵向方向上的单胞数量，或减少环向方向上的单胞数量，可实现增强弯曲变形并限制环向膨胀的效果；相反，如减小纵向方向的单胞数量，或增加环向方向的单胞数量，将增强其环向膨胀并减弱弯曲行为。
图3研究了在保持环向皮肤结构单胞总数不变的情况下，环向NPR单胞与PPR单胞数量占比对弯曲和膨胀性能的影响。当执行器充气至25kPa时，环向膨胀随NPR单胞占比的增加而单调增加，弯曲曲率则表现出先上升后下降的趋势。
图3 环向NPR单胞的占比对软驱动器的弯曲性能的影响图4展示了使用超材料皮肤实现的多种可编程弯曲驱动器。这些设计展示了通过调整超材料皮肤的几何参数和单胞排列，可以实现软体驱动器可编程的弯曲和形状变换。这表明设计的灵活性和适应性，使得软机器人能够执行多种任务。同时研究强调了生物启发的设计理念，通过模仿自然界中的生物结构和运动，设计出具有复杂变形能力的软体机器人。
图4 NPR单胞格的占比分数对软驱动器的弯曲性能的影响综上，论文提出了一种基于力学超材料的机器人皮肤在软体驱动器可编程变形中的应用，并展示了其在调控弯曲曲率和环向膨胀方面的显著效果。研究表明，通过调整超材料皮肤的几何参数和单胞排列，能够实现高度可编程的仿生弯曲和形态变化，使软体机器人具备灵活适应多种复杂变形需求的能力。论文第一作者为四川大学本科生普一宸，共同作者包括四川大学本科生郑圣炜、胡芯杰，大连理工大学唐山教授等，通讯作者为四川大学安宁副研究员。研究得到了国家自然科学基金、四川大学引进人才科研启动经费和工业装备结构分析国家重点实验室（大连理工大学）开放课题等项目的支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2024.113334
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