幾年由于材料科學的進步，軟機器人相關技術近幾年研究成果顯著，與傳統的剛性機器人相比，軟機器人的設計靈感來源于自然界中的生物系統，如蠕蟲、章魚、壁虎和青蛙等。這些生物利用柔軟、有彈性的材料，在複雜環境中展現出卓越的運動能力。但軟機器人在實際應用中，由于依賴外部電力或驅動電源，并通過實體系繩連接配接，導緻其活動範圍受限。此外，傳統軟執行器如氣動網絡執行器（pneu-nets）的重量問題，也成為制約軟機器人無束縛操作的關鍵因素。為解決這一問題，近日由Ching等人開發的FiBa（薄膜氣球）軟執行器，為軟機器人領域帶來了新的突破，該研究成果已發表在《Science Robotics》期刊上，參與研究的成員來自新加坡科技設計大學（SUTD）、新加坡國立大學（NUS）和昆士蘭科技大學（QUT）。
▍FiBa軟執行器采用Dragon Skin 30矽膠與橫向曲率的聚合物薄膜設計
FiBa軟執行器采用獨特的結構設計，将3D列印的氣動氣球與具有橫向曲率的聚合物薄膜相結合。這種設計的優勢在于能夠有效減輕執行器重量同時還保留其多功能特征，進而實作無束縛操作。
與傳統的矽橡膠材料相比，FiBa執行器采用了Dragon Skin 30矽膠，這種矽膠具有更高的彈性模量（約593 kPa），能夠在不增加過多重量的情況下提供更強大的驅動能力。高彈性模量意味着在相同體積下，Dragon Skin 30矽膠能夠産生更大的内部壓力，進而增強執行器的彎曲和驅動效果。
FiBa執行器的另一個關鍵組成部分是具有橫向曲率的聚合物薄膜。這種薄膜材料不僅輕質，而且具有良好的柔韌性和可塑性。通過引入橫向曲率設計，薄膜的局部剛度得到增強，能夠在充氣時産生定向彎曲，并在放氣後迅速恢複原狀。研究人員表示，通過設計橫向曲率，聚合物薄膜的彎曲特性得到明顯改善，進而提高了執行器的整體性能和可靠性。
值得一提的是，傳統的平闆薄膜材料在受到外力作用時容易發生無規則的扭曲和彎曲。而通過引入橫向曲率設計，薄膜的彎曲特性得到定向增強。當氣球充氣時，薄膜會沿着預設的曲率方向彎曲，進而産生穩定的驅動力。這種定向彎曲特性不僅提高了執行器的控制精度，還延長了其使用壽命。
橫向曲率設計還有助于提高執行器的結構可靠性和耐用性。在放氣過程中，薄膜能夠迅速恢複原狀，避免了因長期變形而導緻的性能下降和結構損壞。此外，通過優化曲率參數和薄膜厚度，可以進一步調節執行器的彎曲角度和驅動力，以滿足不同應用場景的需求。
FiBa子產品示意圖
在設計方面，FiBa執行器采用子產品化設計方式，包括FiBa彎曲子產品和FiBa可變剛度梁子產品。通過子產品化設計，研究人員可以快速制作執行器的原型并進行疊代優化。不同的子產品可以組合成各種形狀和功能的執行器，以滿足不同應用場景的需求。這種快速原型制作能力不僅加速了産品的研發周期，還降低了成本風險。
彎曲結構和子產品化氣球的特征
FiBa執行器的子產品化結構還擁有高度可定制性，通過調整子產品的數量、排列方式和尺寸參數，研究人員可以定制出适應不同環境和任務的執行器。例如，在攀爬機器人中，可以通過增加抓握子產品和彎曲子產品的數量和布局，提高機器人的攀爬能力和穩定性。
為了實作無束縛操作，FiBa執行器還內建了電子元件如氣動泵、閥門、電池和控制闆等。在選擇電子元件時，研究人員注重其輕量化和高效能。例如，采用微型氣動泵和閥門可以減少系統的整體重量，使用高性能電池和控制闆可以提高系統的能效和穩定性。輕量化電子元件能夠讓FiBa執行器在無束縛環境中長時間穩定運作。
在內建化方面，研究人員通過優化電子元件的布局和連接配接方式，減少信号幹擾和能量損失，同時通過增加備援設計和故障診斷功能，提高系統的可靠性和安全性。
▍FiBa軟機器人四種形态以及落地場景探讨
為了驗證FiBa執行器的性能和多功能性，研究團隊成功展示了四種不受束縛的仿生運動模式，分别為受海龜啟發的爬行、受尺蠖啟發的攀爬、受蝙蝠啟發的栖息和受瓢蟲啟發的飛行。
受海龜啟發的爬行機器人
受海龜啟發的爬行機器人通過模拟海龜在陸地上的移動方式，采用四個FiBa彎曲子產品作為“鳍”，模拟海龜的前肢推動機器人向前移動。這些子產品通過橫向彎曲的聚合物薄膜與3D列印的氣動氣球結合，實作了輕量化和高效的彎曲運動。機器人還配備了升降執行器子產品，以便在需要時調整機身高度，适應不同的地形條件。
應用場景方面，地震、海嘯等自然災害後，廢墟中常存在大量狹窄縫隙，傳統剛性機器人難以進入。而這款爬行機器人能夠輕松穿越這些縫隙，攜帶生命探測儀等裝置，搜尋被困者，并通過無線通信将現場情況實時傳輸給救援人員，極大地提高了救援效率。
受尺蠖啟發的攀爬機器人
受尺蠖啟發的攀爬機器人通過模拟尺蠖的蠕動方式，利用FiBa彎曲子產品和抓握子產品實作垂直攀爬。抓握子產品通過充氣的矽膠氣球緊緊包裹在攀爬表面，提供足夠的支撐力。同時，FiBa彎曲子產品驅動機器人沿攀爬表面移動，實作穩定攀爬。
在工業領域，這款攀爬機器人可以應用于垂直管道、橋梁、高樓外牆的檢測與維護。機器人搭載高清攝像頭、紅外熱像儀等裝置，對結構表面進行細緻檢查，及時發現安全隐患，降低人工巡檢的風險和成本。而在電力線路、通信塔等基礎設施的巡檢中，這款攀爬機器人同樣表現出色。它能夠沿着電線杆或通信塔快速上升，對線路絕緣子、塔體連接配接件等進行檢查，提高巡檢效率和準确性。
受蝙蝠啟發的栖息機器人
受蝙蝠啟發的栖息機器人通過FiBa子產品建構了一個輕量級的四指夾持器，模拟蝙蝠倒挂在樹枝上的栖息方式。夾持器内部的氣動結構在充氣後産生強大的抓握力，使機器人能夠穩定地栖息在樹枝、電線杆等支撐物上。
在應用落地方面，将這款栖息機器人安裝在無人機上，可以大幅延長無人機的飛行時間。無人機在執行任務過程中，可以在支撐物上栖息以節省能源，待任務繼續時再重新起飛，進而降低能耗成本，拓寬應用領域。在地質勘探、林業調查等野外作業中，栖息機器人可以作為臨時支撐平台使用。無人機完成任務後可以在附近栖息充電或等待進一步指令，提高作業效率和安全性。
受瓢蟲啟發而展開的翅膀
受瓢蟲啟發的飛行機器人采用FiBa可變剛度梁子產品作為機翼的主要結構部件。這些子產品在充氣後産生足夠的剛度和強度以支援飛行，同時在未充氣狀态下可以輕松折疊和卷起，便于運輸和儲存。機器人還配備了推力裝置和控制系統以實作自主飛行和姿态調整。在自然災害等緊急情況下，這款飛行機器人可以迅速響應，将食品、藥品等急需物資精準投送到受災區域。其可折疊的機翼設計使得機器人在運輸過程中占據空間小，便于大規模部署；而自主飛行能力則確定了物資投送的準确性和及時性。在環境監測領域，飛行機器人可以搭載多種傳感器和裝置對大氣品質、水質狀況等進行全面監測和資料采集。其靈活的飛行能力和廣泛的監測範圍使得機器人能夠快速覆寫大面積區域并提供準确的資料支援。此外，在農業領域也可用于病蟲害監測和作物生長狀況評估等工作。
▍結語與未來：
FiBa軟執行器的出現标志着軟機器人技術的一次重大突破。通過輕質材料的選擇和子產品化設計的應用，FiBa執行器擁有了輕量化和多功能特性，這一設計不僅解決了傳統軟機器人的重量問題，還在實際場景中擁有極高的泛化性。未來，研究人員将繼續優化FiBa執行器的設計和技術方案，提升其性能與可靠性，此外，随着智能控制和自主導航技術的發展，FiBa軟機器人未來有望表現得更加智能化。