自然界中的生物，經過數億年的進化，以其獨特的結構和機制向我們展示了它們驚人的生存智慧。 這些生物體的精細結構、高效能和出色的適應性不斷為機械人技術的發展提供靈感，推動機械人向更高效能、更精確的操作和更大的環境適應性方向發展。 這種受自然啟發的創新在軟機械人領域尤為明顯。
與自然界中的生物相比，軟體機械人在運動和互動過程中往往表現出較差的動態效能和敏捷性，尤其是對於無束縛的昆蟲規模軟體機械人。 無論是高效能驅動機制、敏捷控制策略，還是協作功能的協同設計，都受到其非常有限的尺寸的嚴重限制，研究人員一直在努力實現更好的運動可控性和動態效能，以應對這些技術挑戰。
在軟體微型機械人領域，許多研究者試圖提高軟體機械人的運動可控性和動態效能，並開發了基於催化人工肌肉的昆蟲鱗片機械人、磁性公釐波機械人、基於馬拉戈尼效應的微型機械人等機械人成果，有效拓展了軟體微型機械人的運動形式和能力範圍遺憾的是，軟體微型機械人的可控性和動態效能仍然無法與自然生物體相媲美。
不久前，華中科技大學機械工程學院吳志剛教授、丁漢院士研究團隊研究人員再一次，挑戰這個難題。 受羅夫甲蟲快速擺動腹部、分泌物運輸導管和身體結構的體鬃系統啟發，結合磁感應快速改變姿勢，研究團隊本文提出了一種可在水上推進的快速、敏捷、不受約束的公釐級軟推進器uni-sopros。
圖1快速、敏捷、不受束縛的昆蟲級軟推進器（uni-sopros），靈感來自Rove甲蟲
推進器本體長度（bl） 36 公釐，實現了 201 倍/秒體長 （BL s） 和每平方秒體長 （BL s） 8,372 倍的驚人速度。 其綜合動態效能遠遠超過以往同規模推進器的幾個數量級。
圖2近日，研究成果發表在《自然通訊》雜誌上，題目為“Stenus-Inspired， Swift， and Agile Untethered Insect-Scale Soft Propulsors”。 博士生柯興興為第一作者，博士生楊浩辰、碩士生徐福康為合著者。
接下來，讓我們一起在機械人大講堂深入探討這一研究成果吧！
推進器的仿生和整合協同設計
經過無數輪的進化和自然選擇，生物體已經發展出優雅高效的跨尺度結構，使它們在環境中具有卓越的適應性和運動學效能。 就羅夫甲蟲而言，昆蟲在水面上的高速移動是通過其獨特的身體結構和機制實現的，使其能夠有效地躲避捕食者。
靈感來自Rove甲蟲的生物結構和機制研究人員設計了一種新型推進器——uni-sopros。 這種設計不僅在巨集觀尺度上模仿了Rove甲蟲的柔韌和靈活的腹部，而且在微觀和介觀尺度上借鑑了它的結構特徵。
在巨集觀尺度上，Uni-Sopros使用一種磁性材料，通過模仿甲蟲的擺動腹部來實現沿主軸的運動。 使用磁操縱技術，研究人員可以操縱具有高度動態的推進器的運動，使它們能夠按需產生推進力。
圖3從Rove甲蟲中獲得系統的生物學靈感，並共同設計了軟體推進器的詳細表徵。
在微觀尺度上，研究人員觀察到，Rove甲蟲的腺體系統中有無數微小的傳導管，用於運輸表面活性劑。 受這一特徵的啟發，研究人員在uni-sopros中引入了類似的表面活性劑細分運輸機制，通過在尾部尖端插入對齊的纖維來優化輸送。
在介觀尺度上，為了模擬甲蟲的表面結構，研究人員在單甲蟲的體表上引入了微觀結構形態，以獲得超疏水**，從而避免下沉並保證其在水面上的穩定性。
為了提高實時機動性，研究人員還為uni-sopros整合了一對磁性轉向晶元用於快速穩定的轉向控制。 此外，UNI-SOPROS還具有自然解耦的設計和操縱模式，可獨立操作推進和轉向控制。
為了追求推進器uni-sopros效能和功能完善的最終優化，研究團隊還對相關仿生結構進行了深入的調查和特性分析。 這個過程為整個系統的協同設計提供了有價值的指導。
研究人員研究了所用磁粉和磁化膜的基本特性，建立了這些建築材料的效能基準，並重點分析研究了磁控管尾部、驅動力和推進器uni-sopros的主表面。
在磁控尾部方面，研究人員分析了磁性粒子的含量和磁尾的大小如何影響它們的彎曲行為，進而影響燃料輸送和水面脫離行為。 結果表明，高磁性顆粒含量的磁尾表現出更好的彎曲行為，有效地將燃料輸送到水面，並在需要時切斷燃料**。 研究人員還研究了不同姿態和磁尾的水下長度對轉向行為的影響（見補充圖7），發現過度浸入的磁尾會損害轉向能力。 因此選擇合適的磁化尾翼，考慮其磁性顆粒含量、尾部尺寸和尾部浸入長度對於提高機動性至關重要。
圖4表徵磁性顆粒和磁性薄膜的磁化強度和響應特性。
圖5不同姿態和浸入尾部長度對其轉向行為的影響。
在驅動力方面，保持必要的表面張力梯度對於馬蘭戈尼學院的發展至關重要。 通過精確調整輸送到表面的表面活性劑的量，研究人員能夠防止表面活性劑的快速擴散並保持必要的張力梯度。 通過模仿甲蟲的自然機制研究人員將聚丙烯超細纖維引入人造尾尖，通過溫和的馬蘭戈尼流動實現燃料的均勻分布。 此外，研究人員還通過比較燃料與水的直接接觸和不帶纖維的直接接觸來驗證纖維插入提高了調整區域性表面張力的能力，從而增強了運動的可控性和一致性。
圖6受接收傳導導管的啟發，纖維插入 uni-sopro 尾部的尖端。
圖7沒有插入纖維的磁尾燃料（表面活性劑，NOP）的釋放比較。
圖8表徵無插入纖維的磁尾區域性表面張力調節能力。
就主體表面而言，研究人員模仿了排甲蟲的剛毛。 通過雷射表面處理在身體表面形成超疏水微觀結構形態，研究人員確保了單索普在水面上的穩定性。 同時，通過整合磁轉向晶元（SC），研究人員還改進了UNI-SOPROS的實時控制，實現了快速穩定的轉向控制。
圖9表面疏水處理及其表徵。
圖10製作過程。
通過對仿生結構的綜合研究和表徵，並在此基礎上對系統進行協同設計改進，uni-sopros螺旋槳不僅在運動學效能上接近自然界中的屋頂甲蟲，而且表現出優異的敏捷行為。
推進器的運動學效能測試
uni-sopros推進器經過廣泛的仿生研究並經過精心設計，不僅模仿了Rove甲蟲在自然界中的優雅機動性，而且在實驗測試中表現出出色的運動表現。 該推進器可以由單個三維磁場觸發，以實現生物水平及以上的運動學效能。
圖11運動學效能、功率優化管理和軌跡規劃。
在分析uni-sopros的運動學特性時，研究人員提取了：特徵尺寸 36 公釐uni-sopros的實時速度和加速度資料。 結果表明：該推進器能夠在短時間內（-20 ms）快速達到-30 m s 2或8,372 bl s 2的峰值加速度，並在約250 ms後達到-725 mm s或-202 bl s的最大移動速度。
同時，在制動測試中，uni-sopros也表現出了優異的減速效能減速達到 -5,010 bl s 2。 這些測試不僅展示了Uni-Sopros的強大功能，還展示了它們在高速運動中出色的控制能力。
圖12uni-sopros在規模效應表徵和制動測試中的詳細速度和加速度曲線。
此外，研究人員通過實驗研究了外部負載對uni-sopros效能的影響。 測試結果表明，即使在承受 1在5倍於自身重量（-12 mg）的載荷下，uni-sopros的效能也與空載相似，只是峰值速度從-230 mm s降低到-200 mm s，加速度略有降低。 這一結果證明了Uni-SOPROS在實際應用中具有良好的負載能力和穩定性。
圖13uni-sopros負載能力的表徵。
為了深入了解uni-sopros的運動學特性，研究人員還研究了一系列不同尺寸的uni-sopros，並觀察了它們在運動時的尺度效應。 觀測結果顯示，隨著尺寸的增加，峰值速度呈單調下降趨勢，尤其是在較小的尺寸範圍內。 這一發現為研究人員優化不同尺度的uni-sopros的效能和設計提供了有價值的指導。
圖14各種uni-sopros的設計和生產引數。
圖15在每種尺寸的水平姿態下，uni-sopros在峰值速度下的模擬流速對映。
圖16尺寸分析。
已有研究表明，改進的輸送策略可以有效減緩推進速度的衰減，進而延長推進過程中預期軌跡的維持時間。 基於此，研究人員還對有和沒有光纖外掛程式的uni-sopros進行了比較分析，並對同一磁觸發器下的10個單向迴圈推進進行了比較測試。 測試結果表明，uni-sopros插入的光纖能夠顯著減緩速度衰減，並在測試過程中保持幾乎恆定的速度趨勢。 受甲蟲腺系統中傳導管結構的啟發，這種創新設計通過精確調節流體輸送，最大限度地減少了速度下降，並簡化了連續觸發期間的軌跡規劃。
圖17採用數值模擬比較了不同策略下的表面活性劑釋放量。
最後，特徵大小為 54 mm uni-sopros 利用可變的外部磁場來實現複雜的軌跡規劃。 如圖 3f 和補充視訊 5 所示，uni-sopros 能夠準確地執行具有多個急轉彎點的鴿子圖案軌跡，展示了其根據需要快速減速、轉向和加速的能力。
得益於精確的燃油釋放機制和對啟動和制動器的精確控制，再加上靈活的轉向能力，uni-sopros推進器表現出出色的軌跡規劃效能。 特殊尺寸為 54 公釐 uni-sopros 能夠使用可變的外部磁場進行預程式設計，以執行具有多個急轉彎點的複雜鴿子圖案軌跡，展示其根據需要快速減速、轉向和加速的能力。
經過以上實驗測試，uni-sopros螺旋槳不僅在仿生結構上得到了深入研究，而且在運動效能方面也得到了實驗的嚴格驗證，表現出優異的動態效能和精確的控制能力。
參考文章：