一种负压驱动软体人工肌肉的设计与制备

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　　摘  要：通过理论建模设计出致动器结构，再借助CAD制图软件以及3D打印设备设计并成型出它对应的模具，最后通过浇铸成型的方式制备出该负压驱动软体人工肌肉。该致动器由硅橡胶材料组成，外部呈长方体形，内部规则排列着彼此连通的长方体形的空腔以及长方体形的横向弹性梁和纵向弹性梁。在特定负压驱动下，致动器的弹性体结构会发生可逆、协同的屈曲，从而使整体在长度方向上产生直线型收缩致动，具备模仿肌肉收缩的功能。
　　关键词：软体;致动器;人工肌肉;负压驱动;屈曲
　　中图分类号：TP39          文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）08-0073-03
　　Abstract： The structure of the actuator is designed by theoretical modeling， and then the corresponding mold is designed and molded with the help of CAD drawing software and 3D printing equipment. Finally， the artificial muscle of the negative pressure driving software is prepared by casting. The actuator is composed of silicone rubber material， the outside is in a rectangular shape， and the inside is regularly arranged with rectangular cavities connected with each other， as well as rectangular transverse elastic beams and longitudinal elastic beams. Driven by a specific negative pressure， the elastic structure of the actuator will undergo reversible and cooperative buckling， resulting in a linear contraction in the length direction of the whole， so the actuator has the function of imitating muscle contraction.
　　Keywords： software; actuator; artificial muscle; negative pressure drive; buckling
　　氣动软体致动器具备可以接触脆弱易碎和不规则形状的物体（例如水果、动物组织或衣物）的能力[1-3]，因为它们与物体表面的接触面积非常大，接触力分布在极大的接触面上就会使平均应力变得很小[4]，而且致动器本身是由柔软、顺应性很强的弹性体材料（如硅橡胶）制成[5]。另一方面，由于它们的工作模式是通过气体驱动致动器形变来实现，这种简易便捷的控制方式相比冗杂的传统刚性机器人系统（由金属、陶瓷或结构聚合物等材料制成的机器人）的控制方式，更有利于在机器人在很多特殊场景中的应用[6]。
　　人工肌肉致动器的历史比较悠久。在此类致动器中，1950年代开发出的McKibben致动器最为典型和普及。McKibben致动器的核心组件为弹性体球囊和包裹着球囊的非弹性网。弹性体球囊在正压驱动下体积发生膨胀，但因为受到非弹性网的限制，它的膨胀是各向异性的，径向膨胀，轴向收缩，从而模仿肌肉的直线型收缩运动[7]。但McKibben致动器存在3个缺陷限制了它的应用：（1）球囊与非弹性网间的干摩擦以及它们的非弹性变形会让运动存在滞后情况，这种滞后使致动器的精准控制变得困难。（2）它的工作所需气压比较高，工作时的输出力也很大，它做不到以较小的工作气压输出较小的力，应用场景因此受到限制。（3）施加太高的压力（一般为500kPa左右）会使气球从网孔中凸出或损坏网甚至自身爆裂[8]。
　　所谓的“屈曲”（Buckling） 是一种硬质材料结构中的不可逆的破坏机制，但近几年发现弹性体材料结构的屈曲是一种协同性、可逆的材料工作机制。基于材料的周期性结构中弹性体梁（Elastomeric beams）在负压下的协同（周期排列的弹性体梁协同变形使整体结构发生特点改变）、可逆（取消负压后变回原形）变形，是软体屈曲致动器的驱动基础，也为软体机器人系统提供了一种全新的致动模式[9]。此类致动器的优势包括：（1）它们没有因为内部压强过大而使机体爆裂的安全隐患;（2）它们能够在空间受限
　　的环境中执行任务。借助弹性体的屈曲，人们研发出了很多柔性器件（例如可拉伸的柔性电子器件[10]、流体驱动致动器[11]等）。
　　本文提出利用屈曲的力学机制来设计出一种弹性体人工肌肉（Vacuum driven buckling artificial muscle， V-BAM）。通过致动器内部的弹性体梁在负压下的可逆屈曲，产生类似于骨骼肌的运动。
　　1 实验部分
　　1.1 材料与仪器
　　Dragon SkinTM 30型硅橡胶，Smooth-On公司。
　　分析天平（AL204），梅特勒-托利多（上海）仪器有限公司;可调真空发生系统（定制），美国Bosch Rexroth公司;数码相机（D7000型），日本Nikon公司。
　　1.2 负压驱动软体人工肌肉的结构设计 　　屈曲致动器的结构可以简化看成是一块嵌有许多规则性排列的空腔弹性体基体。具体来说，我们可以认为它包含了许多相互关联与作用的弹性体梁和相互连接的可变形气腔，并由一层弹性体薄膜从外面密封住。当将空腔中施加真空时，由内外气压差引起的各向同性压缩导致弹性体梁发生可逆协同屈曲，这会使得结构发生各向异性形变从而产生某些运动。
　　V-BAM的几何结构设计如图1（a）所示：整个结构可以看作是一个大的长方体形弹性体，内部规则排列着小的长方体形空腔。致动器的长度、宽度、高度分别为46.5mm、34mm、28mm，内部两种长方体形空腔的长度、宽度、高度则各分别是12mm、6mm、24mm以及6mm、6mm、24mm。这些规则排列的空腔也使致动器内部形成了平行于致动器长度方向的纵向弹性体梁（Vertical beams）和平行于致动器宽度方向的横向弹性体梁（Horizontal beams）。横向梁的宽度为1.5mm，纵向梁的长度和宽度分别是6mm和4mm。如图1（b）所示，当对这个网络状结构施加适当负压时，整体结构就会发生屈曲变形，横向梁会发生连续弯曲，纵向梁会略微变短和变粗，这种屈曲使得V-BAM长度收縮，同时产生直线型的收缩力。
　　1.3 负压驱动软体人工肌肉的制备及演示
　　借助CAD设计软件Solidworks 2015进行致动器模具的结构设计，模具的结构如图2所示。将由CAD软件内完成的模型文件导出为STL文件，并在切片软件ideaMaker 3.1.0中切片，导出为gcode格式的切片文件。最后把切片文件导入3D打印机进行模具的实体成型，所使用的3D打印机为Raised 3D Plus型熔融挤出式3D打印机，模具材料为ABS树脂。
　　V-BAM通过浇铸成型。称取Dragon SkinTM 30型硅橡胶的A、B组分各15g，将A组分和B组分混合并进行机械搅拌，搅拌时长为10分钟左右。然后进行5分钟的真空排泡处理。排泡完成后，将前驱液浇铸至2个相同的ABS模具中。接着在室温下让前驱液自然固化8小时再脱模，得到2个最终组成V-BAM的部件（一半的V-BAM）。将未固化的Dragon SkinTM 30型硅橡胶前驱液涂在2个部件的结合界面上，然后把它们互相对齐粘合起来，放到60°C的烘箱中固化15分钟，即可制备得到完整的V-BAM。
　　如图3所示，V-BAM可以在负压驱动下产生类似于骨骼肌收缩的直线型致动变形以及收缩力，拉动总重为960克的重物至完全收缩。
　　2 结论
　　本实验通过理论建模与浇铸成型的方式制备得到了负压驱动的软体屈曲人工肌肉V-BAM。V-BAM的结构看成是一块大的长方体形弹性体基体内部嵌有许多小的长方体形空腔，并由一层弹性体薄膜从外面密封住，从而形成纵向弹性体梁、横向弹性体梁以及彼此连通的可变形气腔。当对V-BAM施加真空时，由内外气压差引起的各向同性压缩导致弹性体梁发生可逆协同屈曲，整体结构就会发生屈曲变形，产生类似骨骼肌收缩的直线型致动。
　　参考文献：
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　　[3]Connolly F， Polygerinos P， Walsh C J， et al. Mechanical programming of soft actuators by varying fiber angle[J].Soft Robot，2017，2（1）：26-32.
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　　[5]Miriyev A， Stack K， Lipson H. Soft material for soft actuators[J].Nature Communication，2017，8：596-603.
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　　[11]Overvelde J T B， Kloek T， D'haen， et al. Amplifying the response of soft actuators by harnessing snap-through instabilities[J].Proceedings of the National Academy of Sciences， 2015， 112（35）：10863-10868.
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