华中大吴志刚团队《Adv. Sci.》：基于磁性液态金属液滴的软可重构循环器使能软机器人的多功能控制

随着软体机器人应用范围的逐渐扩大，柔性材料和结构结合单一刺激所产生的简单行为已难以应对实际任务的多种需求。为了进一步增强软机器人系统的功能，迫切需要在软系统中嵌入计算来实现多执行器的序列、逻辑甚至自适应控制。但对大多数厘米级以上的软机器，嵌入计算意味着集成传感器、电压转换模块以及单片机等刚性组件，这无疑会限制软机器人系统的顺应性与简单性。尽管一些软流体控制电路的开发提供了有希望的解决方案，但其却具有驱动原理受限，可用原件较少以及控制功能有限等缺陷。

近日，华中科技大学机械学院吴志刚团队在《Advanced Science》杂志 (IF=17.521) 在线发表了题为“A Soft Reconfigurable Circulator Enabled by Magnetic Liquid Metal Droplet for Multifunctional Control of Soft Robots”的研究文章。该研究提出了一种基于磁性液态金属液滴的软可重构循环器，通过三种通用循环器模块间的按需重构以及液态金属液滴在循环器流道中的受控循环运动，可实现软机器人系统的逻辑、编程与自适应控制，如图1所示。

图1 磁性液态金属液滴使能的多功能软循环器

如图2和视频1所示，作者借助紫外激光对软模块流道以及石墨烯电极进行表面处理，以调控液态金属液滴的界面润湿性，实现其在流道内的流畅运动。此外，作者还研究了液态金属液滴在外加剪力作用下的可控分离与合并行为，这将用于使能软循环器的状态保留与程序切换等功能。

图2 磁性液态金属液滴的非润湿性与极限变形

视频1 磁性液态金属液滴的非润湿性

随后，作者对软循环器的基本性能进行了研究，如图3所示，包括软循环器的响应时间、数模输出、电极电阻以及电学稳定性等。稳定可靠的软循环器性能是其实现软机器人多功能控制的保证。

图3 软循环器的计算机制与性能

这样的模块化软循环器，首先可以被应用于软机器人的逻辑控制中。如图4所示，作者用软循环器的基本模块构建了所有的七种基本逻辑门，并进一步将两个AND门并联来实现模块化软抓手的故障检测。如视频2所示，当抓手有一根或多根手指未组装或接触不良时，即便对软循环器输入致动命令抓手也不会致动，只有当三根手指都组装成功，软循环器才会将致动指令输送给软抓手。

图4 软循环器用于数字逻辑控制

视频2 软循环器用于数字逻辑控制

接着，作者将软循环器应用于软机器人的编程控制中。如图5和视频3所示，通过更换不同的连接模块，软循环器可以分别使能循环编程与往复编程两种编程模式，模块上的电极位置和长度也可以灵活配置，从而可以集成到一个软体小车上，在同样的控制磁场下使能其五种不同运动轨迹。

图5 集成的软循环器用于软机器人的编程控制

视频3 集成的软循环器用于软机器人的编程控制

最后，软循环器还可以实现软机器人的复杂的自适应控制。如图6和视频4所示，软循环器可以控制一个末端有软抓手的软机械臂不断弯曲并试抓来寻找在其弯曲轨迹上任意位置的乒乓球。在成功抓住乒乓球后，软循环器可以实现程序切换，将乒乓球放入其正下方的盒子中。整个控制过程在完成后循环器可以自动初始化，并可以无缝衔接寻找下一个乒乓球的过程。

图6 软循环器用于软机器人的自适应控制

视频4 软循环器用于软机器人的自适应控制

该研究将逻辑、编程与自适应控制三种复杂的控制功能首次整合到了一个具有电气输出的可重构软循环器中，并初步展现了将导电液滴的独特特性（例如分离合并）用于软控制器构建的巨大潜力。

华中科技大学机械学院博士后徐轶、研究生朱嘉淇（现香港中文大学博士生）及研究生陈汉为对论文具有同等贡献的共同第一作者，华中科技大学机械学院吴志刚教授为论文通讯作者。本研究得到国家自然科学基金和中国博后基金的经费支持。

原文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202300935

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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