軟體機器人憑借彈性材料（如硅膠、水凝膠）在安全性和環(huán)境適應(yīng)性上優(yōu)勢顯著，能穿越復(fù)雜地形（如廢墟、陡坡）。然而，其結(jié)構(gòu)強度弱和運動軌跡低效（依賴開放曲線路徑）兩大缺陷，導(dǎo)致速度慢、摩擦大，嚴重限制實際應(yīng)用。傳統(tǒng)氣動驅(qū)動雖能實現(xiàn)爬行，卻難以兼顧速度與精度。如何讓軟體機器人“剛?cè)岵保?/span>近日，美國塔夫茨大學(xué)等研究團隊以"Arc-heating actuated active-morphing insect robots"為題在 Nature Communications 期刊發(fā)表了相關(guān)研究，為微型機器人的設(shè)計提供了全新的思路。
仿生靈感：從馬蹄運動到四連桿設(shè)計
“自然是最好的工程師”研究團隊觀察到四足動物（如馬）行走時，足端軌跡呈反向D形：
平直段（支撐相）：足部貼地后拖，減少地面作用力；
弧形段（擺動相）：足部離地前擺；這種閉曲線軌跡高效節(jié)能，但軟體材料難以精確復(fù)現(xiàn)。團隊創(chuàng)新性地引入經(jīng)典四連桿機構(gòu)，通過多材料3D打印技術(shù)，將生物運動轉(zhuǎn)化為機械設(shè)計。
三大創(chuàng)新突破
1. 多材料融合打印技術(shù)
材料配方：采用三種邵氏硬度TPU材料（75D硬骨架/95A過渡層/85A軟關(guān)節(jié)）；
接口革命：對比直連、燕尾榫、指接三種接口，發(fā)現(xiàn)燕尾榫與指接抗拉強度提升4倍，徹底解決分層問題；
工藝升級：多噴頭熱熔沉積（FDM）技術(shù)實現(xiàn)一體化打印，關(guān)節(jié)與連桿硬度梯度化設(shè)計。
2. 剛?cè)岵姆律Y(jié)構(gòu)
關(guān)節(jié)軟化：關(guān)節(jié)采用85A超軟TPU模擬生物屈伸；
連桿強化：75D高硬度TPU確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；
無栓設(shè)計：摒棄傳統(tǒng)金屬插銷，利用材料柔性實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，重量減輕40%。
3. 閉環(huán)控制系統(tǒng)
集成磁編碼器與定制電路板；
獨立控制四條腿的步態(tài)（以對角小跑步態(tài)為主）；
實時調(diào)整足端軌跡，適應(yīng)沙地、巖石等復(fù)雜地形。
性能突破
極端環(huán)境測試：整車碾壓后，機器人憑借彈性形變完全恢復(fù)原狀；剛性對照版則徹底碎裂。
圖片解析
應(yīng)用場景：從實驗室走向現(xiàn)實
災(zāi)難救援：在碎石、泥土環(huán)境中穩(wěn)定行走
野外勘探：攀爬陡坡巖石，穿越沙地
工業(yè)檢測：適應(yīng)管道、狹窄空間等非結(jié)構(gòu)化環(huán)境
人機協(xié)作：柔性機身保障人機交互安全
未來展望：突破與挑戰(zhàn)
電子系統(tǒng)柔性化：當(dāng)前剛性電路板限制形變能力，需開發(fā)嵌入式柔性電路
極端環(huán)境適應(yīng)：TPU材料耐溫性有限（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度約80℃），亟待新材料
水下應(yīng)用：電機防水處理后可拓展至水域探測
人工智能融合：結(jié)合視覺傳感器實現(xiàn)自適應(yīng)步態(tài)切換
通過融合經(jīng)典機構(gòu)學(xué)與多材料打印，讓軟體機器人同時擁有螳螂的靈活性與甲蟲的堅固性。這項研究不僅解決了軟體機器人領(lǐng)域的核心矛盾，更以桌面級3D打印的低成本方案，為未來機器人定制化打開大門。