蜘蛛抓手(弹跳蜘蛛网游戏)

用于快速、软驱动关节的受蜘蛛启发的电动液压执行器

软机器人领域致力于通过将弹性和柔顺性结合到机器人结构中来重现自然生物的多功能性——特别是它们与不确定和动态的外力或环境有效交互的能力。软体动物经历连续变形，如环节动物的昆虫幼虫和软体动物，通常用作在软机器人模型生物。然而，这些软机器人的功能能力，例如对抗重力的重量支撑、身体/附肢控制、和快速推进、可以通过结合受节肢动物启发的铰接外骨骼机制进一步增强由刚性和柔顺元件组成，同时保持令人印象深刻的柔顺性，例如，用于在密闭空间中航行。

在节肢动物中，蜘蛛（蛛形纲）是在自然界中实现运动的最成功和独特的解决方案之一，因为它们将柔顺的关节与流体驱动相结合。与大多数使用对抗性肌肉对产生运动的动物不同，蜘蛛通过使用液压机构来实现腿部伸展，同时使用弹性元件或肌肉进行屈曲。织出复杂网所需要的精确的和协调的运动，以及需要捕食强大和迅速移动，使蜘蛛成为软驱动机制生物灵感的主要来源。而在编织网或寻找猎物时，它们用于移动四肢的液压驱动机制为它们提供了许多机器人专家和工程师从中汲取灵感的力量。

德国马克斯普朗克智能系统研究所和美国科罗拉多州博尔德大学的一组研究人员现在找到了一种新方法，可以利用蜘蛛关节的原理来驱动关节机器人，而无需任何笨重的组件和连接器，这会降低机器人的重量并降低便携性和速度。它们纤细轻巧的简单结构使机器人能够跳跃其高度的 10 倍。5 月底，该团队的作品《用于快速软驱动关节的蜘蛛启发式电动液压执行器》发表在Advanced Science 上。

受蜘蛛启发的电动液压软驱动 (SES) 关节的原理

A) 蜘蛛胫骨-跖骨关节的液压操作。血淋巴液的加压导致腿部伸展。图为狼蛛（狼蛛科）。B) SES 接头由一个充满液体电介质的柔性袋和一对位于外部的相对电极组成。加强层放置在一侧以限制驱动，而柔性铰链提供稳定性和被动恢复力。在施加电压时，麦克斯韦应力使电极逐渐拉在一起，从而对液体电介质 ( P )加压并使关节弯曲到角度θ. C) 关闭电压和开启电压（施加 8 kV）的 SES 关节，这会导致关节屈曲。D) 刚性加强层支持沿肢体的有效力传递；在这里，一个 1.3 g 的执行器在距离旋转点近 10 cm 处提升了 20 g。E) 可以组合多个 SES 关节以创建不同类型的机器人结构。F) SES 关节具有出色的功率重量比，可用于创建跳跃机器人。

高性能是由受蜘蛛启发的电动液压软驱动关节 - 简称 SES 关节实现的。这些关节可以用于许多不同的配置——不仅仅是在创建蜘蛛机器人时。在他们的论文中，科学家们展示了一个双向关节、一个多节假肢和一个三指抓手，可以轻松抓取精致的物体。所有作品都很轻巧，设计简单，并表现出高性能，使其成为需要快速移动并与许多不同环境交互的机器人系统的理想选择。

研究人员基于 HASEL 技术开发了他们的 SES 关节，该技术之前由该团队发明，用于构建人造肌肉。SES 关节模仿受蜘蛛启发的外骨骼机制，由刚性和较软的元素组成，其功能类似于通过使用液压的动物腿部伸展。

他们制作了一个由薄塑料薄膜（聚酯或聚丙烯都可以）制成的柔性袋，其中填充了液体电介质——一种植物油。然后他们在袋子的每一侧放置了电极。这些充满液体的口袋用作执行器，其中通过静电力产生液压动力。小袋连接到旋转接头。当在电极之间施加高电压时，静电力会导致液体电介质在袋子内移动，接头会弯曲。SES 关节能够旋转高达 70 度，产生高扭矩，并且可以轻松恢复到起始位置。

SES 接头制造工艺

SES 接头的制造过程简单且可定制，这使得它们可以通过修改薄膜、液体电介质、电极、铰链和加强层来定制所需的特性，如下所述。基本程序依赖于可变刚度结构与高性能电动液压组件的集成，其制造程序基于 Mitchell 等人介绍的技术。用于 HASEL 执行器。

步骤 1：使用 CNC 控制的热封机将两个介电薄膜热封在一起形成一个小袋。填充端口保持打开状态，以便稍后用液体电介质填充。

步骤2：使用丝网印刷方法在薄膜的两面印刷柔性碳基电极。多余的薄膜被修整以减少对驱动的限制，留下裙边以防止在施加高电压期间在驱动器周围产生电弧。

步骤3 ：通过将柔性铰链层粘合到两件式加强层来创建柔性接头。该加强层可以是柔性的或刚性的。铰链稳定关节以抵抗横向载荷并提供弹性恢复力。粘合剂层（例如，转移胶带）被施加到用于安装致动器的接头。

步骤 4：将空的执行器粘在关节上，然后通过填充口填充液体电介质。带有弯曲针头的注射器允许在安装致动器时进入填充口。最后，使用加热的烙铁头密封填充口。

对于在这项工作中测试的 SES 接头，默认铰链层是 75 μm 厚的透明层，一侧带有粘合剂，用于粘合到加强层。默认的加强层是用激光切割成型的亚克力。

"SES 关节非常简单和轻便，因为没有外围组件会加重机器人的负担，"马克斯普朗克智能系统研究所机器人材料部主任 Christoph Keplinger 说。"软机器人的许多应用都需要多功能执行器。这些受蜘蛛启发的关节具有很高的功能性并且只消耗很少的能量，它们制造起来既简单又便宜——我们使用的塑料用于食品包装——而且它们的生产很容易可扩展。这些都是对机器人设计至关重要的品质，机器人可以以多种不同的方式移动并操纵各种物体而不会破坏它们。"

SES 关节与伺服电机的功耗对比

伺服电机和SES关节的功耗比较。A) 由轻木制成的轻型 SES 接头（2.93 g，峰值扭矩 ≈ 30 mN m -1在 9 kV）产生的最大扭矩与轻型伺服电机相似（3.7 g 无电线，峰值扭矩 ≈ 40 mN m 在 5 V ）。B) 选择重量和杠杆臂，使伺服电机和 SES 接头在所有角度施加相同的扭矩。C) 两个执行器在一系列相同运动中的功耗。伺服电机在将负载保持在 25°时消耗 140 mW ，而 SES 关节消耗 <1 mW。

机器人应用：结合 SES 关节以增加功能

三指抓手是该团队使用 SES 关节展示其多功能性的一种应用。如果团队为抓手配备了类似肌肉的结构，抓手就会阻碍抓握的物体。使用 SES 接头作为抓手的铰链需要的空间要小得多。

多功能强大的夹持器

基于 SES 关节串联排列的三指夹持器。A) 夹持器使用三个手指，每个手指有两个关节。这些手指同时被致动以执行抓握任务。涂有有机硅弹性体的合规垫增加了接触面积和摩擦力。在施加 8 kV 直流电压（插图）下，夹具完全闭合。B) SES 接头具有足够的机械稳定性，能够水平抓握草莓等轻质物体。使用了 6 kV 的电压。C) 每个手指的顺应性使抓手能够在不需要反馈的情况下抓取各种物体，包括精致的草莓（18 克）、苹果（170 克）和陶瓷杯（270 克）。所有三个物体都使用了 8 kV 的电压。

总结：

"这项研究之所以引人注目，是因为我们可以使用多种材料，甚至是用来制作薯片袋的塑料来制作小袋，"该出版物的第一作者 Nicholas Kellaris 说。"这样我们就可以在各种几何形状中实施 SES，并具有专门调整的驱动特性。"

"我们研究的最终目标不是制造蜘蛛机器人，"该出版物的第二作者 Philipp Rothemund 补充道。"我们想开发一种最先进的主动关节，您可以将其放入任何类型的机器人中。"

特别是对于只有几厘米大小的小型机器人系统，有限的空间严重限制了执行器技术的选择，SES 关节将非常有用。

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