摘要：大家好！今天来了解一篇以蚯蚓为灵感的软皮爬行机器人研究——《Earthworm-Inspired Soft Skin Crawling Robot》发表于《Advanced Science》。蚯蚓在各种地形自如爬行，靠的是独特的肌肉运动和刚毛摩擦。这启发了科学
大家好！今天来了解一篇以蚯蚓为灵感的软皮爬行机器人研究——《Earthworm-Inspired Soft Skin Crawling Robot》发表于《Advanced Science》。蚯蚓在各种地形自如爬行，靠的是独特的肌肉运动和刚毛摩擦。这启发了科学家们，他们设计出模块化软皮，精心制作软驱动器和软皮，模拟蚯蚓表皮和刚毛特性。通过一系列测试，如机械特性和运动性能测试，发现刚毛排列影响机器人速度等性能，这一研究在多个领域都有着巨大的应用潜力。
*本文只做阅读笔记分享*
一、研究背景
（一）蚯蚓运动原理
蚯蚓能够在各种地形爬行和打洞，这得益于其独特的运动方式。它们通过环形和纵向肌肉的协调收缩进行逆行蠕动，在运动时，身体的部分环节会径向扩张，借助皮肤上名为刚毛的微小附属物与洞穴壁产生摩擦，从而实现锚固，推动身体前进。例如，在松软的土壤中，蚯蚓通过这种方式能够轻松地移动并开辟通道。
（二）软机器人研究现状
蚯蚓的运动方式为软机器人的设计提供了灵感。许多研究致力于开发模仿蚯蚓运动的软机器人，它们采用了多种软驱动方法来模拟蚯蚓的运动步态。比如，Calderon等人开发的软机器人具有两个膨胀驱动器和一个软伸展驱动器，成功实现了在不同管道中的两锚运动；Das等人使用编织人工肌肉制作的软机器人，能根据初始编织角度产生压缩或伸长蠕动；Niiyama等人制造的人工静水压系统结合形状记忆合金（SMA）驱动器，模拟了蚯蚓环形肌肉的收缩。然而，目前对于软爬行机器人皮肤上人工刚毛的排列和分布如何影响其摩擦性能和运动表现，缺乏系统的定量分析。
二、研究内容与方法
（一）模块化软皮设计
为了研究不同刚毛布置对机器人运动行为的影响，研究人员设计了模块化软皮，其灵感来源于蚯蚓的刚毛。通过模块化设计，可以在不改变驱动器的情况下，方便地更换机器人皮肤，从而单独分析皮肤对摩擦性能和运动性能的影响。他们用比皮肤更硬的材料制作倾斜刚毛来模拟蚯蚓刚毛，并将刚毛排列成矩形和三角形两种网格，每种网格又有高低两种密度，分别为高密度三角形（HDT）、低密度三角形（LDT）、高密度矩形（HDR）和低密度矩形（LDR）图案。在设计中，刚毛的轴向间距h = 4 mm，圆周间距d在不同图案中有不同取值（低密图案为2d），倾斜角φb = 30°。这些参数设置使得低密图案有Nr = 7行圆周刚毛，高密图案有N1 = 8行和Nh = 16行轴向刚毛。
（二）制作过程
1、软驱动器制作
首先，将软邵氏硬度00-50的硅胶橡胶（Ecoflex00-50，Smooth-On）倒入3D打印的圆柱形模具（la = 34 mm，øa = 8 mm）中，该模具中心腔（øa = 4 mm）表面有双螺旋槽（dp= 2mm），用于精确缠绕增强线程。在模具腔中插入碳纤维棒后，将圆柱体在60°C的对流烘箱中固化20分钟。
固化后，用凯夫拉线加固圆柱体，接着使用第二个模具浇铸另一层硅胶，固定增强线程并在两端添加椭圆形端盖（p = 30 mm，q = 7.5 mm）。端盖使用邵氏10A硅胶橡胶（DragonSkin10Medium，SmoothOn），而身体覆盖层再次使用邵氏00-50硅胶橡胶，采用与之前相同的固化过程。
最后，脱模并移除碳纤维棒，通过连接柔性硅胶管和密封另一端（使用DragonSkin）完成原型制作。
2、软皮制作
用3D打印模具制作可拉伸套筒（ls = 50 mm，øs = 13 mm，t = 1.5 mm）和硬刚毛（Tb = 1.5 mm，lb = 3.5 mm，øb = 2 mm，φb = 30°）。模具由四个部分组成，包括两个带有刚毛腔的半圆柱形部分、截断椭圆形端盖、与驱动器尺寸匹配的内部椭圆形轴和用于注入预聚物硅胶橡胶的封闭盖。
制作皮肤时使用两种材料，用邵氏32A硅胶橡胶（EliteDouble32，Zhermack）模拟硬刚毛，用邵氏00-20硅胶橡胶（Ecoflex00-20，Smooth-On）制作可拉伸表皮。先将较硬的预聚物硅胶刷入刚毛腔，填充所有刚毛腔并清理内壁残留材料，然后组装模具并注入较软的硅胶橡胶，在60°C的对流烘箱中固化20分钟后脱模。安装皮肤时，将其卷起放在前端盖上，然后展开覆盖软驱动器。
（三）机械特性测试
1、压力-伸长响应测试
为探究皮肤对驱动器机械性能的影响，使用定制可编程注射泵以的恒定速率向驱动器注入20mL空气使其膨胀，同时用绝对压力传感器（MPXH6400A，NXP）记录内部压力，并通过安装在数码相机（D3400，NIKON）上的对象跟踪软件（MATLAB中的数字图像相关和跟踪驱动器两端的位置。伸长百分比ε = 100×(l-l0)/l0，测试结果如图3A所示。结果表明，所有皮肤类型下，整个结构伸长可达原始长度的45%，内部压力达到145kPa。与裸驱动器（灰色曲线）相比，皮肤的加入增加了刚度，使最大伸长减少了约15%，这表明不同刚毛排列的驱动器机械响应变化极小，因此在比较不同皮肤类型覆盖的可伸展驱动器性能时，可采用通用的驱动协议。
2、摩擦阻力测试
使用电动线性平台（LTS300C，Thorlabs）和聚氨酯泡沫表面（PPI60），在驱动器预充气到不同伸长时，用凯夫拉线（Mediumduty40Tex，Aramid）拉动软皮覆盖的驱动器，测量其摩擦阻力。通过安装在线性平台上的称重传感器（LSB200miniaturehigh-performanceSBeam5lbs.，FUTEK）测量摩擦力，拉动机器人的速度为100 mms-1，行程为100mm。针对每种皮肤类型（LDR、HDR、LDT、HDT）在四个不同伸长水平（ε = 0%、15%、30%、45%）下，在头端（逆着刚毛）和尾端（顺着刚毛）方向各收集10个数据集。
例如， HDT图案在不同伸长下尾端（FC）和头端（FR）方向的摩擦力随时间变化。在不同伸长水平下，与未充气状态（ε = 0%）相比，尾端方向摩擦力变化较小（ΔFCr = 15% = 0.0041 N，ΔFCz = 30% = 0.0025 N，ΔFCz = 15% = 0.0001 N），而头端方向差异更显著（ΔFCx = 15% = 0.0069 N，ΔFRe = 30% = 0.009 N，ΔFRε= 45% = 0.0112 N）。
不同皮肤类型的驱动器与泡沫表面接触的特写视图。通过将摩擦力除以原型重量（W = 0.11N）来计算摩擦系数，μc=FC/W（尾端方向），μR=FR/W（头端方向）。对于所有皮肤类型和伸长水平，均发现μR >μc ，表明皮肤具有内在的方向性摩擦各向异性。
对于矩形图案，伸长对摩擦系数影响不大；而对于三角形图案，摩擦系数随伸长增加而上升。高密度图案的各向异性摩擦比μR/μc一般高于低密度图案，LDR（μR/μc≈1.25）和HDR（μR/μc≈1.4）配置的摩擦各向异性基本恒定，LDT（μR/μc≈1.1-1.3）和HDT（μR/μc≈1.4-1.6）图案在伸长增加时逐渐上升，其中HDT图案的μR/μc最高。
（四）运动性能测试
1、直线通道运动测试
研究人员在由泡沫基底（PPI60）和两个丙烯酸壁组成的直线通道中测试爬行软机器人的运动，通道间隙有四个取值（-0.5、0、1、2mm）。
使用注射泵以体积控制协议驱动机器人，采用幅度为A = 16 mL、周期为T = 2s的三角周期性输入信号，持续120s。通过跟踪机器人在纵向轴线上一排刚毛（7个点）的位置（使用MATLAB，详情见支持信息NoteS5），计算不同皮肤类型机器人在各种间隙下的平均速度（n=5）。例如，δ=0时不同皮肤类型机器人中间刚毛#4的位移。所有皮肤类型在δ=0时速度最高，负间隙（δ=-0.5 mm）时速度次之，间隙增大（δ=1和2mm）时速度减慢。刚毛密度较高的皮肤速度更快，HDT皮肤的机器人速度最快（v=0.95 mms-1），其次是HDR（v=0.89 mms-1）、LDT（v=0.84 mms-1）和LDR（v=0.53 mms-1）皮肤。这表明对于三角形图案，刚毛数量翻倍可使机器人速度提高1.78倍，而矩形皮肤的速度提升较小，仅为1.06倍。
基于上述结果，使用HDT图案研究驱动振幅对运动速度的影响。用对应三个伸长水平（ε=15%、30%、45%）的空气量通过三角信号驱动机器人，跟踪刚毛在机器人纵轴上的位置12s。结果发现，机器人速度随伸长水平增加而上升，ε=15%、30%、45%时的平均速度分别为v=0.5 mms-1、0.9 mms-1、1 mms-1。当伸长幅度从ε=15%增加到ε=30%时，速度几乎翻倍，但进一步伸长到ε=45%时，速度增益较小，且可能因过高压力损坏驱动器。
接着研究驱动器几何形状对机器人运动性能的影响，使用HDT皮肤对三个中心腔直径（øc = 4、5、6mm）的驱动器进行测试。首先表征这些驱动器带和不带HDT皮肤时的压力-伸长曲线，结果表明增大腔直径可在特定压力下获得更大伸长，而皮肤的存在限制了变形。
然后在直线通道（δ=0）中，用体积控制协议和三角输入信号（A = 16 mL，T =2s）驱动机器人，测量其平均速度和最大伸长。结果显示，增大中心腔直径可提高机器人速度，øc = 4 mm到øc = 5 mm时速度提升更明显（28%），而从øc = 5 mm到øc = 6 mm仅提升约2%，这可能是因为后者的基础弹性体材料达到了极限应变，限制了驱动器的进一步扩展。
2、曲线通道运动测试
成功完成直线通道运动测试后，研究人员尝试让机器人穿越曲线通道，最初使用HDT驱动器，但由于其单峰伸展运动无法适应路径，机器人未能完成任务。于是对设计进行修改，将中心腔替换为两个与机器人中心轴平行的偏心腔，这种多模态驱动器可实现腔室的差分驱动和双向侧向弯曲，同时也能像之前设计一样进行同步驱动实现直线伸展。
用振荡周期T = 7s、空气体积幅度A = 18 mL的三角波驱动多模态驱动器的每个腔室。在路径的直线部分，两个腔室同步驱动；在右转和左转时，分别引入ψ= -T/10和ψ= +T/10的相位差。通过这种驱动方式，多模态驱动器成功穿越了整个路径，包括两个25°的转弯，共70个周期（5个直线、30个右转、5个直线、30个左转）。
三、研究结论
综上所述，本研究提出了一种受蚯蚓刚毛启发的仿生软机器人设计，采用模块化软皮与倾斜刚毛相结合的方式。通过模块化设计，能够方便地研究不同刚毛排列和密度对运动的影响，同时使用标准纤维增强软伸展驱动器。制作皮肤时结合软、硬硅胶橡胶，模拟蚯蚓表皮和刚毛的机械性能。通过压力-伸长响应、摩擦力测量和不同宽度直线通道中的运动分析对系统进行了表征。摩擦力测量表明所有皮肤类型都具有方向性摩擦各向异性，高密度图案的各向异性摩擦比更高。直线通道运动分析展示了皮肤类型和间隙大小对机器人速度的影响，高密度刚毛排列和无间隙通道可实现更高速度。
此外，还研究了驱动振幅和驱动器几何形状对运动速度的影响。在曲线通道运动测试中，虽单模态驱动器遇到挑战，但多模态驱动器通过设计修改成功实现导航，体现了模块化软皮设计的多功能性，突出了刚毛模式和排列在影响摩擦性能和受限空间运动行为方面的重要性，在土壤传感、下水道管道检查和微创生物医学设备等领域具有潜在应用价值。
四、一起来做做题吧
1、蚯蚓在运动时主要依靠什么来实现锚固并推动身体前进？
A. 分泌黏液
B. 身体的柔韧性
C. 刚毛与洞穴壁的摩擦
D. 肌肉的收缩力
2、在模块化软皮设计中，以下关于刚毛排列的描述正确的是？
A. 只有一种密度和一种形状的排列
B. 有矩形和三角形两种网格排列，每种网格只有一种密度
C. 有矩形和三角形两种网格排列，每种网格有高低两种密度
D. 刚毛排列是随机的，没有特定规律
3、制作软皮时，先使用哪种材料处理模具？
A. 邵氏 00 - 20 硅胶橡胶
B. 邵氏 32A 硅胶橡胶
C. 邵氏 10A 硅胶橡胶
D. 碳纤维棒
4、压力 - 伸长响应测试中，与裸驱动器相比，带有皮肤的驱动器有什么特点？
A. 刚度降低，最大伸长增加
B. 刚度增加，最大伸长增加
C. 刚度降低，最大伸长减少
D. 刚度增加，最大伸长减少
5、在摩擦阻力测试中，对于所有皮肤类型和伸长水平，摩擦系数的关系是？
A. μC > μR
B. μC = μR
C. μC
D. 没有固定关系
6、在直线通道运动测试中，哪种皮肤类型的机器人速度最快？
A. LDR
B. HDR
C. LDT
D. HDT
7、最初的单腔驱动器在曲线通道运动中失败的原因是什么？
A. 驱动力不足
B. 皮肤摩擦力不够
C. 单峰伸展运动无法适应路径
D. 刚毛排列不合适
参考文献：
Tirado J, et al. Earthworm-Inspired Soft Skin Crawling Robot. Adv Sci (Weinh). 2024 Jun;11(23):e2400012.
来源：知识泥土六二三
