CN111515941A - 一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人 - Google Patents
一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，包括头部和与头部连接的驱动部，所述头部为半球形柔性壳体，包括头部和与头部连接的驱动部，所述驱动部包括若干以圆周均布的方式连接于头部下端的柔性支撑板和沿柔性支撑板延伸方向平行设置于柔性支撑板上的若干水凝胶丝，所述柔性支撑板的末端设有尾鳍，所述水凝胶丝为pH敏感型水凝胶丝。该机器人采用pH敏感型水凝胶作为驱动器，可在酸性或碱性液体环境中持续稳定工作，且具有良好的生物相容性、环境适应能力和响应能力，毒性小、轻便灵活、噪声小，可应用范围广。
Description
技术领域
本发明属于机器人技术领域，具体涉及一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人。
背景技术
机器人是集合了自动控制理论、计算机、机械电子学、材料学等多门学科技术的产物，它的主要作用是代替人类进行重复性工作以及代替人类在危险或难以涉足的工作环境中进行工作。目前，机器人主要在工业领域被广泛应用，在医学、军事、建筑业甚至服务业等领域也有一定的应用。随着相关学科技术的不断进步，越来越多样化的机器人诸如软体机器人、微型机器人、仿生机器人等被研发出来，以适应人类日益增长的生产力以及对未知领域的探索。
软体机器人相较于传统的机器人有着许多优势。传统机器人通常由电机驱动，由齿轮、齿个、连杆等进行传动，并有以传感器为主的检测***以及以微型计算机为主的控制***，虽然其动力充足，功率大，机械性能好，但也存在着较差的环境适应能力和响应能力，噪声大，传动效率低惯性较大，难在酸性或碱性的复杂环境中工作等缺点。自然界中的一些生物具有极高的自由度以及极强的环境适应能力为机器人的研发提供了新的思路，以这些生物为原型进行设计并采用智能材料进行驱动的软体机器人较好地克服了这些缺点。软体机器人相较于传统机器人有着环境适应性好、轻便灵活、噪声小、灵活等优点，能够适应更复杂的工作环境。
目前，已经有很多能够实现爬行、游动、抓取、跳跃等动作的软体机器人应用在军事、救援、航空航天、医学等领域。例如，在医学领域，有一种应用于微创手术(MIS)的软体机器人可以大大降低主刀医师的操作难度，这是利用了软体机器人相较于传统医疗仪器具有更高的自由度的优势。麻省理工学院研究的一种软体机器人，可以安装在心脏两侧进行有节奏地压缩与扭转，取代了传统的心室辅助装置(VAD)，这是因为软体机器人更好的生物相容性可以有效降低VAD导致患者患血栓的几率。又如斯坦福大学研发的KISS软体机器人，利用空气加压的方式可以使机体延伸至原长的几十倍，并且由于它本身利用软性材料制成，使其能够在伸长时避开障碍物或钻入狭小空隙，这让它能够应用在勘测、救援等领域。软体机器人越来越多样化的结构以及愈加先进的材料使得其在未来有着很好的潜力。
发明内容
针对现有技术中传统机器人的驱动器大多由不耐酸碱腐蚀的金属制成，使其难以在酸性或碱性的复杂环境中工作的技术问题，本发明的目的旨在提供一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，该机器人采用pH敏感型水凝胶作为驱动器，可在酸性或碱性液体环境中持续稳定工作。
为解决上述技术问题，本发明提供的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，包括头部和与头部连接的驱动部，所述头部为半球形柔性壳体，包括头部和与头部连接的驱动部，所述驱动部包括若干以圆周均布的方式连接于头部下端的柔性支撑板和沿柔性支撑板延伸方向平行设置于柔性支撑板上的若干水凝胶丝，所述柔性支撑板的末端设有尾鳍，所述水凝胶丝为pH敏感型水凝胶丝。
上述基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的技术方案中，采用pH敏感型水凝胶丝作为机器人的驱动器，pH敏感型水凝胶是智能水凝胶的一种，具有水凝胶的普遍性质。当所处环境的pH值发生变化时，pH敏感型水凝胶能够发生一定程度的溶胀行为，体积形态随着pH值的改变而发生变化，就能将水凝胶作为智能驱动材料应用于柔性机器人驱动领域。本发明将水凝胶这种形变产生的力输出到连接件(柔性支撑板)上，通过控制水凝胶丝的收缩或拉伸来实现该软体机器人的动力以及转向功能。本发明中水凝胶丝可以采用本领域中常用的pH敏感型水凝胶丝，例如SA/PNIPAM水凝胶、氧化海藻钠(OSA)交联的SA/Ge复合水凝胶或P(St-DVB-MAA)水凝胶等。
上述基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的技术方案中，头部的作用主要是进行配重使机器人自身的重力与浮力相互抵消，使软体机器人在竖直方向上受力平衡，如此在运动时就不会发生偏转等现象，影响水平运动。头部、支撑板以及尾鳍均采用本领域中常用的耐酸碱腐蚀的柔性材料制作而成；所述耐酸碱腐蚀的柔性材料包括但不限于天然橡胶、聚戊二烯橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶等。头部和柔性支撑板的尺寸没有特殊的比例要求，主要通过机器人造型设计和身体材料选择来保证机器人的重力和受到的浮力相等即可。
上述基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的技术方案中，几乎所有快速游动的海洋动物，在黪科模式推进的基础上，其尾鳍进一步演变成大展弦比新月牙尾，或称为月牙尾，月牙尾推进中的尾鳍摆动时产生的尾流是一系列交错排列、离散的漩涡。具有高速游动性能的鱼类其特征是具有大的展弦比的尾鳍,一般为新月型或叉形且尾柄细小狭长，从仿生学上来看，这类推进方式最适合小尺寸鱼形机器人。因此，本发明中尾鳍优选为月牙形尾鳍。进一步优选为仿金枪鱼的月牙形尾鳍，仿金枪鱼的月牙形尾鳍推进效率更大。
上述基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的技术方案中，所述柔性支撑板数量优选为六个，每个柔性支撑板上优选设置两根水凝胶丝。
本发明提供的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人具有以下有益效果：
(1)该软体机器人的驱动器采用pH敏感性水凝胶制作而成，头部、支撑板以及尾鳍均采用耐酸碱腐蚀的柔性材料制作，不含金属，因而可在酸性或碱性的复杂环境中持续稳定工作，且具有良好的生物相容性、环境适应能力和响应能力，毒性小、轻便灵活、噪声小，可应用范围广。
(2)该软体机器人采用半球形柔性壳体的头部和设有水凝胶丝的柔性支撑板作为驱动部，柔性支撑板以圆周均布的方式设置在头部下端外侧，整体外形类似于海洋中的水母，流线的形状能够减小该机器人向前运动时的阻力。
(3)该软体机器人中的柔性支撑板以圆周均布的方式设置在头部下端，如此可以使各个柔性支承板在弯曲驱动时在垂直于游动方向上产生的力相互抵消，各个支撑板上水凝胶丝产生的力就合成为一个沿头部向前的力，不会导致软体机器人在游动时在其它方向上发生偏移，运动稳定性好；
(4)该软体机器人尾端采用鱼类的尾鳍摆动推动，可有效提高机器人运动速率，尤其采用月牙形尾鳍时，推进效率更大。
附图说明
图1是本发明基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的结构示意图；
图2是尾鳍结构示意图。
附图标记说明：1、头部；2、驱动部；3、柔性支撑板；4、水凝胶丝；5、尾鳍。
具体实施方式
以将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明。
本实施例中，基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的结构如图1所示，包括头部1和与头部1连接的驱动部2。
头部1为半球形柔性壳体，主要用于配重，使机器人自身的重力与浮力相互抵消，在竖直方向上受力平衡，这样就不会在运动时发生偏转等现象，导致影响水平运动。
驱动部2包括柔性支撑板3和水凝胶丝4。柔性支撑板3数量为六个，以圆周均布的方式连接于头部1下端。水凝胶丝4数量为十二根，每个柔性支撑板3连接两根水凝胶丝4，两根水凝胶丝4沿柔性支撑板3延伸方向平行设置。柔性支撑板3的末端设有尾鳍5，如图2所示，尾鳍5呈仿金枪鱼的月牙形。
本实施例中，头部采用丁腈橡胶制作而成，柔性支撑板和尾鳍均采用氯丁橡胶制作而成。水凝胶丝4为pH敏感型SA/PNIPAM水凝胶丝。
以下对本实施例的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人的运动原理进行简要说明，以进一步展示本发明的优点。
控制水凝胶丝4所处环境的pH值，水凝胶丝4发生溶胀，从而带动柔性支撑板3拉伸，沿轴向方向上的形变量远远大于沿横截面上的形变量，就可以将水凝胶的形变量近似地看作是沿轴线上的形变，产生沿轴线方向上的拉力。这样驱动器产生的力就合成为一个沿头部向前的力，不会导致软体机器人在游动时在其它方向上发生偏移。
如机器人所处环境PH值发生改变，机器人的运动幅度即发生变化。PH值变化越大，机器人运动幅度变化越大。在外部pH环境发生变化时，水凝胶丝接受刺激，做出响应，发生溶胀与退溶胀，水凝胶丝的形变相当于在柔性支撑体一侧末端施加了一个向着头部的拉力，柔性支撑体受到这个作用力的力矩后就能够发生弯曲。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：包括头部(1)和与头部(1)连接的驱动部(2)，所述头部(1)为半球形柔性壳体，所述驱动部(2)包括若干以圆周均布的方式连接于头部(1)下端的柔性支撑板(3)和沿柔性支撑板(3)延伸方向平行设置于柔性支撑板(3)上的若干水凝胶丝(4)，所述柔性支撑板(3)的末端设有尾鳍(5)，所述水凝胶丝(4)为pH敏感型水凝胶丝(4)。
2.根据权利要求1所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述尾鳍(5)为月牙形尾鳍(5)。
3.根据权利要求1或2所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述尾鳍(5)为仿金枪鱼的月牙形尾鳍(5)。
4.根据权利要求1或2所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述柔性支撑板(3)数量为六条。
5.根据权利要求3所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述柔性支撑板(3)数量为六条。
6.根据权利要求4所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：每个柔性支撑板(3)上设有两根水凝胶丝(4)。
7.根据权利要求5所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：每个柔性支撑板(3)上设有两根水凝胶丝(4)。
8.根据权利要求1或2所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述pH敏感型水凝胶丝为SA/PNIPAM水凝胶丝、氧化海藻钠交联的SA/Ge复合水凝胶丝或P(St-DVB-MAA)水凝胶丝中的一种。
9.根据权利要求1或2所述的基于pH敏感型水凝胶驱动器的软体机器人，其特征在于：所述头部、支撑板以及尾鳍均采用耐酸碱腐蚀的柔性材料制作而成；所述耐酸碱腐蚀的柔性材料为天然橡胶、聚戊二烯橡胶、丁苯橡胶、聚丁二烯橡胶、乙丙橡胶、丁基橡胶、氯丁橡胶、丁腈橡胶、聚硫橡胶、硅橡胶、聚氨酯橡胶中的一种。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112476405A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-12 | 北京大学 | 一种软体机器人及其制造方法 |
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2020
- 2020-06-10 CN CN202010525245.1A patent/CN111515941A/zh active Pending
Cited By (2)
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| CN112476405A (zh) * | 2020-12-07 | 2021-03-12 | 北京大学 | 一种软体机器人及其制造方法 |
| CN112476405B (zh) * | 2020-12-07 | 2022-01-25 | 北京大学 | 一种软体机器人及其制造方法 |
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