34岁中国科学家研发“无腿”软体机器人，转向跳跃每秒138.4°，是目前最快的软跳跃机器人

 

没有腿，仍能跳跃？日前，34 岁的中国青年科学家陈锐，研发出一款无腿软体机器人，可实现快速可控的持续跳跃。

动图1 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

机器人重量为 1.1 克、长度是 6.5 厘米，借助灵活的电动液体，即可给它提供动力。 它跳出的最远距离，是自身身高的 7.68 倍，每秒连续前跳速度则是自身身长的 6.01 倍。 据该团队表示，这是现有软跳跃机器人中速度最快的。

 

动图 2 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

它还能绕过电线、砾石堆、斜坡、异形立方体等障碍物。 在连续向前跳跃运动中，每次跳跃的角度偏差可控制在  8° 以内，当集成两个无腿软跳机器人时，还可以每秒 138.4° 的速度转向跳跃。

这些能力主要依赖于该团队提出的新 型电液驱动技术和 结构驱动一体化设计 方法，借此可让 软体 机器人做出敏捷的多模态运动。

图 | 陈锐（来源：陈锐）

12 月 8 日，相关论文以《能够实现快速、连续、转向跳跃的无腿软体机器人》（Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping）为题，发表在 Nature Communications 上，来自重庆大学机械与运载工程学院的陈锐担任论文通讯作者[1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Communications）

近年来，陈锐团队一直围绕软体机器人的驱动机理与驱动方法展开研究，特别是功率密度高、响应速度快的新型驱动方式，并期望通过结构驱动一体化设计的方法，将其应用在软体机器人上。

跳跃，是移动机器人运动的基本形式之一。它能扩大陆地移动机器人的探索空间，并能解决传统移动机器人需要通过绕行来规避障碍的问题。

（来源：Nature Communications）

不过，为了提高跳跃性能，这一运动形式往往会给驱动器的功率密度、以及响应速度提出较高要求。因此，陈锐希望通过研究新型驱动器，并在跳跃机器人进行应用验证。

研究分为前中后三阶段

陈锐介绍称，研究主要分为前、中、后三个阶段，前期是对现存跳跃机器人进行调研，中期是思考、并创新实现跳跃的新型驱动方式，后期则是对机器人进行性能优化测试。

在前期调研中，从驱动类型、跳跃性能等各方面，他对各类机器人的优缺点做了综合分析，并凝练出一些关键技术指标。

（来源：Nature Communications）

中期他主要围绕以上关键技术指标，对驱动器展开创新设计。期间，他和团队做了多次迭代尝试，包括优化驱动器结构参数、以及驱动电压等。

后期则主要是针对机器人的跳跃和越障性能进行测试和更新，并探索了潜在应用场景。

（来源：Nature Communications）

为了利用各向异性液体流动来实现能量不平衡引起的向前跳跃，陈锐把电介质液体密封到一个半圆形执行器中，借此让机器人表现出更好的跳跃性能。

然后，将致动器另外一个半圆袋子中充入等体积空气。这时，相对于整个致动器来说，电介质液体即可呈现出各向异性流动。

正如预期的那样，特殊的液体-空气布局，可让执行器向前跳跃，就算空气袋被拖动在地上也能照常运动。这是因为电极会挤压液体电介质，进而使其快速向前流动，从而提供初始动能。

动图3 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

通过观察上述三种类型的致动器，陈锐发现它们的跳跃都是由液体袋的部分膨胀引起的。

其中，特殊的液空布局、以及半圆形压缩结构，可让内部液体产生各向异性的快速流动，进而产生大量的正向动能。

同时，固定在软致静电弯曲执行器边缘的预弯曲框架，可以指导变形方向，以便实现快速弯曲运动，借此可产生垂直动能和水平动能。概括来说，特殊的液空布局和预弯框架结构，大大提高了电液执行器的跳跃性能。

这种无腿软跳机器人，可通过快速液体流动和身体弯曲来跳跃，从而可大大缩短跳跃间隔时间。由于具备弹性，因此可帮助机器人快速恢复形状，以避免影响下一次跳跃。

无腿软跳机器人由两个带有柔性电极印刷的塑料半圆形袋组成，它们与两个导电带连接，用于潜在的电线连接。这两个袋由双轴向聚丙烯薄膜制成。前袋充满了电介质液体，后面充满了相同体积的空气。

研究中，需要将柔性塑料聚氯乙烯环框固定在其边缘并进行预应变。

值得注意的是，机器人的后气囊与动物尾部相似，这可用于保持跳跃和着陆姿态的平衡，在无腿软跳机器人的整个结构中起着重要的作用。

为进一步提高无腿软跳机器人的跳跃性能，陈锐把袋中空气用非爆炸性气体氦气所取代。

动图 4 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

这时，机器人即可通过能量变化，来产生向前跳跃的能量。在对电极施加高电压后，介质电液体会从流出区、挤压到没有电极覆盖的流入区。这种快速和各向异性的流动，可产生一个初始动能。其中，前袋电极之间静电力的增加，可引起液体的快速流动。

另外，当框架产生瞬间弯曲时，即可推动机器人身体进入空气中。在快速起飞后，机器人的初始水平速度，会由框架末端的水平地面反作用力决定。

在跳跃状态下，环框会迅速释放弹性能量，这时介电液体回流，机器人即可恢复到原始状态，并为着陆后的下一次跳跃做准备。

此外，施加相同极性的电压，可让电荷处于保留状态，并在致动器内部积累，从而防止致动器完全回到其初始位置，以避免影响下一次实验结果。每次实验后，极性都会被逆转，并等待一分钟来缓解电荷保留。

 

动图 5 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

单个驱动器总价不到5毛钱

软致静电弯曲执行器的设计灵感，来自液压放大的自修复静电致动器的静电跳跃，以及由介电弹性体执行器的预变形框架引起的周期性马鞍形弯曲。

在设计过程中，陈锐专门建立了力学分析模型、以及介质液体重心运动等效模型，借此可对驱动器尺寸参数进行优化。

由于机器人使用特殊的液体空气布局、以及边缘固定预弯曲框架，借此可实现快速连续前进和转向跳跃运动，还可实现各向异性液体流动周期性的弯曲，因此可弥补液压放大的自修复静电执行器的限制。

 

动图 6 | 无腿软体机器人（来源：Nature Communications）

此次单体机器人的头部液体腔和尾部空气腔并不对称，这是该团队专门设计的，只有这样才能实现单向运动。 从当前的结构来说，尾部空气腔主要用于减重和平衡，如果简单将结构进行对称，会造成跳跃性能的下降。

相比三聚氰胺板材料或人工肌肉，此次使用的材料主要有两方面优势： 一是驱动效率比较高、响应速度很快，特别适合开展结构驱动的一体化设计； 二是成本比较低，单个驱动器的总价不到 5毛钱。

目前，在小于  8HZ 的低频状态下，陈锐主要利用最优运动频率，来实现最具效率的前进跳跃方式。 而在 8HZ 以上的高频状态下，机器人可呈现出慢速爬行的姿态，这一运动模式能让它做出比较紧密和精细的位置移动。

陈锐坦言： “其实我们并不需要追求两种模式运动的一致性，反而能很好地综合利用这两种不同的运动形式。 ”

而在制备机器人时，有时会遇到驱动特性不一致的问题，毕竟是手工制作，很难保证所有参数和环境条件绝对一致。 因此，陈锐主要通过量化制作参数，来尽可能地保证机器人的一致性。 此外在实际测试中，可通过调整控制策略，去消除掉轻微的运动差异。

（来源：Nature Communications）

可用于检测紫外线变化

通过安装光温传感器、以及光致变色染料等，机器人可用于检测温度和紫外线等环境变化。

通过集成其他传感器，它有望检测到更多的环境因素，比如工业环境和民用建筑中的污染物。

如果给这种形状的软体机器人涂上防水材料，再通上高频电压的话，理论上有望通过摇摆运动在水里游泳。这也正是陈锐正在开展的研究方向，他希望把这种驱动方式应用在水下机器人，借助摇摆和扑动实现类似于鱼类一样的运动。

投稿过程一波三折

实验过程中，当机器人第一次展现出优秀跳跃性能时，整个团队都大受鼓舞。因为相比此前调研的机器人样机，他们终于看到了自己团队制备的机器人的优势。

在论文的投稿过程中，也经历了一波三折，很多审稿人提出了宝贵意见，他们也前后修改多次，还补了很多实验，过程虽然煎熬但也让团队成长了不少。

目前，陈锐已经确定了后续研究计划，届时将主要围绕两方面：一是进一步优化新型电液驱动方式的性能，比如如何实现无系留作业，即让驱动器或机器人实现自供电；二是进一步拓展这种驱动方式的应用领域。

未来，他希望在解决掉工程化问题的基础上，将这种驱动方式应用在更多软体机器人上。

具体来说，未来陈锐将研究机器人的可扩展性、以及参数优化，从而让软致静电弯曲执行器实现更好的跳跃性能，他还将开发出无系留无腿软跳机器人以及相关应用程序。

 

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支持：猫学长

参考：

1、Chen, R., Yuan, Z., Guo, J. et al. Legless soft robots capable of rapid, continuous, and steered jumping. Nat Commun 12, 7028 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-27265-w