人工肌肉“以柔代刚”在微小管道的检验检测中大显身手

新型软材料制成的人工肌肉非常柔软，具有功率密度高、寿命长等优点。它的智能在于它可以在外界(电场)刺激下变形，可以被动适应弯曲管道的曲率。

航空发动机有许多复杂弯曲的管道，管道机器人定期对其进行检测。由刚性材料制成的机器人很“大”，无法进入微管道，但一种由智能材料驱动的柔性机器人有望填补微管道检查和检测设备的短缺。

最近，清华大学机械工程系现代机械与机器人装备实验室的研究团队开发了一种蚯蚓仿生管道机器人，该机器人使用一种新型软材料介电弹性体驱动器和一种基于智能复合微结构的锚单元作为人工肌肉和传动装置。相关研究论文发表在国际期刊《科学机器人》。

蚯蚓通过肌肉和刚毛的配合使身体蠕动，可以在狭小的环境中来去自如。新型软材料制成的人工肌肉具有可控的收缩和松弛变形特性，智能复合微结构的功能类似于蚯蚓腹部的刚毛，使机器人在精细弯曲的复杂管道中高速“蠕动”。

人造肌肉会因外部刺激而变形。

目前开发的管道机器人有轮式、腿式、履带式等。其主要部件如电机、齿轮、传动杆等采用刚性材料，适用于大口径管道检测。当涉及到直径小于1cm的微管时，其尺寸不能按比例缩小。

该团队研发的蚯蚓仿生管道机器人仅比普通蚯蚓略粗。该机器人仅重2.2克，长4.7厘米，直径不到1厘米。与蚯蚓由几个小段组成不同，这种管道机器人由三部分组成，即延伸单元、锚定单元和磁力单元。

论文作者、清华大学机械工程系副教授赵会禅告诉科技日报记者，实现管道机器人小型化的关键是智能材料的选择和制备。

机器人的延伸部分是一块柔软的人造肌肉。针对刚性材料无法收缩的问题，团队创造性地将弹性软材料和柔性电极材料层层叠加缠绕，制备出机器人的人工肌肉。

赵慧贞介绍，这种方法制备的人工肌肉非常柔软，具有功率密度高、寿命长的优点。它的智能体现在它能在外界(电场)刺激下变形，能在弯曲管道中被动适应管道的曲率。此外，借助人工肌肉特有的可控收缩和松弛变形特性，机器人可以在管道中快速“蠕动”。

避免软材料粘度对移动速度的影响。

"蚯蚓的爬行行为极大地鼓舞了研究小组."论文第一作者、清华大学机械工程系博士后汤潮表示，要让管道机器人真正运动起来，除了上面提到的人工肌肉组成的伸展单元，另一个关键要素就是机器人的锚定单元。

为了制造锚固单元，经过一些讨论和研究，团队决定采用——智能复合微结构技术，这是一种专门用于制造微小材料的加工技术。“基于这项技术，开发人员通过激光切割和热压工艺设计并制造了一种特殊的刚性部件，它密集地附着在延伸单元的底部，可以使机器人高效地移动。”汤潮说。

通过人工肌肉和刚性部件，管道机器人像蚯蚓一样“蠕动”的物质基础已经具备。但是管道机器人的应用场景决定了它需要在多介质、多材料、变径的复杂管道中以一定的速度进行检测。那么，哪些因素会影响机器人的移动速度呢？

赵会禅介绍，很多实验表明，在高频驱动下，软材料的粘性会阻碍其自身的形变幅度，使形变与驱动信号产生很小的时间差；共振特性可以放大变形的幅度。“我们通过调制驱动信号的频率和相位来匹配和适应材料的粘性、惯性、弹性等特性，从而避免粘性带来的不利影响，发挥共振带来的增益效应。”赵慧贞说。

研究人员对机器人的动力学特性进行了建模和分析，调整和利用了一些由软材料驱动的特性，如粘性和共振特性，最终实现了机器人在亚厘米级管道内各个方向的快速移动。发现机器人以100 Hz左右的频率“爬行”的速度可以保证探测效率。

据报道，由新型软材料制成的人工肌肉和智能复合微结构可广泛应用于各种微型机器人的驱动和传动，如微型飞行器、微型地面移动机器人等。此外还制造微型管道检测机器人。赵会禅表示，目前这种管道机器人实现产业化面临的挑战包括制备工艺的规模化和稳定性、智能材料和结构本身的使用寿命等。

赵慧贞表示，这种管道机器人未来有望在航空发动机管道维修领域发挥作用。“目前的飞机发动机检查方法非常耗时，并且依赖于高度熟练的工程师。研究小组希望这种由智能材料驱动的机器人可以在飞机发动机的管道中进行检测，并将沿途的图像全部发回，以节省工程师的时间和精力。”她说。