航空發動機有許多復雜彎曲的管道，定期巡檢這些管道，依靠的是管道機器人。以剛性材料制成的機器人“塊頭大”，無法進入微細管道，但一種靠智能材料驅動的軟體機器人，有望填補微細管道巡檢探測設備的短缺。
近期，清華大學機械工程系現代機構學與機器人化裝備實驗室的科研團隊研發了一種以新型軟性材料介電彈性體致動器和基于智能復合微結構的錨定單元作為人造肌肉和傳動裝置，構建的蚯蚓仿生管道機器人。相關研究論文發表于國際期刊《科學·機器人》。
蚯蚓通過肌肉和剛毛的配合使身體蠕動，在窄小的環境中來去自如。由新型軟性材料構建的人造肌肉具有可控收縮和舒張變形特性，智能復合微結構的作用則類似于蚯蚓腹部的剛毛，使機器人在微細和彎曲的復雜管道內高速“蠕動”。
人造肌肉在外界刺激下可變形
目前已研發的管道機器人有輪式、腿足式、履帶式等，其電機、齒輪、傳動桿件等主要構件使用的是剛性材料，適用于大口徑管道巡檢。當涉及直徑小于1厘米的微細管道時，其尺寸不能按比例縮小。
而該團隊研發的蚯蚓仿生管道機器人僅比常見的蚯蚓體型稍粗，機器人重量只有2.2克、長4.7厘米、直徑不到1厘米。與蚯蚓由若干小體節組成稍有不同的是，該管道機器人由3部分拼裝而成，分別為延伸單元、錨定單元和磁單元。
論文通訊作者、清華大學機械工程系副教授趙慧嬋告訴科技日報記者，實現管道機器人尺寸小型化的關鍵在于智能材料的選取和制備。
該機器人的延伸單元是一種柔軟的人造肌肉。針對剛性材料無法縮小等問題，該團隊創造性地將彈性體軟材料和柔性電極材料層層交替堆疊卷繞，制備成機器人的人造肌肉。
趙慧嬋介紹，采用這種方式制備的人造肌肉十分柔軟，具有高功率密度、長壽命等優勢，其智能性體現為在外界(電場)刺激作用下可變形，能夠在彎曲管道中被動適應管道曲率。此外，利用人造肌肉獨有的可控收縮和舒張變形特性，機器人可在管道中快速“蠕動”。
避免軟性材料黏性影響運動速度
“蚯蚓的蠕動行為給了研究團隊很大的啟發。”論文第一作者、清華大學機械工程系博士后湯超表示，為使管道機器人真正動起來，除了上文所述由人造肌肉構成的延伸單元，另一個關鍵要素是機器人的錨定單元。
為了制造錨定單元，團隊經過一番討論研究，決定采用一種專門制作微小材料的加工技術——智能復合材料微結構技術。“基于該技術，研制人員通過激光切割以及熱壓成形工藝，設計制造了一種特殊的剛性組件，它密密麻麻地附著于延伸單元底部，可使機器人高效移動。”湯超說。
通過人造肌肉和剛性組件，使管道機器人像蚯蚓一樣“蠕動”的物質基礎已經具備。但是，管道機器人的應用場景決定了其需要在多介質、多材質、變管徑的復雜管道內，按照一定的速度進行探測。那么，該機器人的移動速度會受到材料哪些方面因素的影響呢？
趙慧嬋介紹，多次實驗表明，在高頻的驅動下，軟性材料的黏性會阻礙自身的變形幅度，并且使得變形與驅動信號之間形成一個很小的時間差；而共振的特性可以放大變形的幅度。“我們通過調制驅動信號的頻率和相位，來匹配和適應材料的黏性、慣量、彈性等特性，從而避免黏性帶來的不利影響，發揮共振帶來的增益效應。”趙慧嬋說。
研究人員對機器人的動態特性做了建模和分析，對軟性材料驅動的一些特性例如黏性、共振特性等，進行了調控和利用，最終實現了機器人在亞厘米大小管道中各方向的快速運動。實驗發現，機器人以約100赫茲的頻率“蠕動”時的運動速度可以保障探測效率。
據悉，由新型軟性材料構建而成的人工肌肉和智能復合微結構，除了用于制造微型管道檢測機器人以外，還可以廣泛應用于各類微小型機器人的驅動和傳動，例如微型飛行器、微型地面移動機器人等。趙慧嬋表示，這款管道機器人目前在實現產業化方面面臨的挑戰，包括制備工藝的規模化和穩定性問題、智能材料與結構本身的服役壽命等。
趙慧嬋表示，這款管道機器人，將來有望在航空發動機管路檢修等領域發揮作用。“當前的飛機發動機檢查方法非常耗時，依賴于高技能的工程師。研究團隊希望這種依靠智能材料驅動的‘以柔代剛’的機器人，能在飛機發動機管道中進行檢測，同時將沿途的所有圖像發回，以節省工程師的時間和精力。”她說。(本報記者 唐 芳)