傳統(tǒng)軟體機器人的運動多以一維的直線爬行為主，雖然活性材料提供了諸多驅(qū)動方式，例如溫度場、磁場等，這使得新型的軟體機器人可以自發(fā)的在沒有外界干預(yù)的情況下完成一些簡單的任務(wù)，然而復(fù)雜的操控和嚴(yán)苛的適用環(huán)境仍舊是阻礙以活性材料作為柔性執(zhí)行器發(fā)展的攔路石。這也對相關(guān)科研團隊在更優(yōu)材料和更為精巧的結(jié)構(gòu)設(shè)計上提出了更多的挑戰(zhàn)。
為了探索復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的溫度場驅(qū)動軟體機器人的運動模式，近日，一種具有周期性運動軌跡的螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)給以液晶彈性體為基底的軟體機器人設(shè)計提供了新的參考。北卡羅萊納州立大學(xué)尹杰團隊制造出一種螺旋帶狀液晶彈性體，若將該帶狀螺旋結(jié)構(gòu)首尾相連，置于發(fā)熱平板上時，其將展現(xiàn)出三種相互關(guān)聯(lián)的耦合運動（圖1）：首先是自里向外的滾動，其次是繞環(huán)轉(zhuǎn)動，最后是以環(huán)外某一點為圓心的轉(zhuǎn)動。后兩種運動類似于星體的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)，相較于目前已有的液晶彈性體機器人，展現(xiàn)出特有的周期性運動，這也為該機器人的運動軌跡的可預(yù)測性提供了保證。這種設(shè)計不僅得益于液晶彈性體本身的熱驅(qū)動模式，使得其可以吸收溫度場中的熱量并且自發(fā)地轉(zhuǎn)化為動能，而且同樣得益于獨特的結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其的運動方式（例如滾動的速度、自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)的周期等）在設(shè)計階段就可以預(yù)先調(diào)節(jié)，按需進行制造。
圖1：基于帶狀螺旋體的環(huán)狀拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計及其運動的描述
圖2：螺旋環(huán)狀軟體機器人描繪封閉空間的邊界形狀
然而在自然界中，工作條件往往更加苛刻，封閉空間的形狀也更加不規(guī)則（例如凹形狀），為了測試該軟體機器人的工作情況，課題組設(shè)計了相關(guān)實驗，例如在完全黑暗的環(huán)境下通過熒光涂料，使得在黑暗中亦可追蹤其軌跡；另外，對于凹形狀，雖然單個機器人只能覆蓋部分的空間，但是通過在制造過程中改變螺旋的手性，制作出不同的螺旋環(huán)狀機器人，這樣使用集群，就可以將部分的形狀通過求并集的方式描繪出完整的形狀。
圖3：帶有“缺陷”的螺旋環(huán)狀軟體機器人受力的非對稱性
論文信息： F. Qi, Y. Li, Y. Hong, Y. Zhao, H. Qing, J. Yin, “Defected twisted ring topology for autonomous periodic flip-spin-orbit soft robot”, PNAS, 121, e2312680121, (2024).
https://doi.org/10.1073/pnas.2312680121
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