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伊利諾伊大學Holly Golecki團隊研究文章:專為極端環境設計的軟體機器人
發布日期:2025-06-23 

導讀

在全球醫療監測需求快速增長的背景下,頸部姿勢異常引發的急性斜頸問題亟需低成本、可穿戴的實時監測方案。傳統計算機視覺技術存在便攜性差、侵入性強等局限,難以滿足日常健康管理需求。對此,中南大學陽軍亮教授團隊基于綠色印刷技術,創新性開發出石墨烯/碳納米管復合織物應變傳感器。該傳感器采用環保溶劑Cyrene配置導電油墨,通過模板印刷工藝在彈性織物上構建導電網絡,具備112%寬應變范圍、GF>210高靈敏系數及超3000次循環穩定性。研究團隊進一步研制出集成式睡眠監測系統,可同步追蹤睡眠時頸部活動姿態與心電信號,為預防頸椎疾病、評估睡眠質量提供了無創、連續的創新解決方案。這種功能織物傳感器還可拓展應用于關節運動、聲帶振動及脈搏監測,展現了柔性電子在智能醫療領域的巨大潛力。這項研究成果以“Printed graphene/CNTs/TPU-fabric wearable strain sensor for healthcare monitoring”為題,發表在Soft Science上。

圖片摘要


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圖文導讀

本文旨在通過系統比較軟體機器人與傳統剛性機器人在特定環境中的功能效用(見章節"剛性與軟體機器人特性比較"),著重梳理當前面向極端環境的先進軟體執行機構、配套傳感系統及專用控制方法。研究針對人體內環境(章節"人體內軟體機器人")、海洋環境(章節"海洋環境軟體機器人")、太空探索(章節"太空探索軟體機器人")以及搜救場景與密閉空間(章節"搜救及密閉空間軟體機器人")等典型極端場景展開分析。在技術發展路徑方面,本研究強調基于拓撲優化的結構設計方法、智能控制策略以及商業化教育產品的終端用戶需求分析,以此作為拓展軟體機器人極端環境適應性的關鍵研究方向(章節"極端環境軟體機器人應用拓展")。通過整合多維度研究成果,本文系統提出極端環境機器人設備開發策略,并深入探討該領域未來發展的技術機遇與創新方向。
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圖 1  本綜述聚焦于在極端環境(包括人體內部、海洋探測、太空探測以及搜索、救援和受限空間)中工程軟驅動器和軟傳感器的挑戰與機遇。

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圖 2  可植入軟體機器人中 PAMs 的應用
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圖 3  用于體內使用的軟體機器人微工具

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圖 4 人體內生物醫學應用的柔性傳感器

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圖 5  各種軟體機器人的水下旅行速度比較

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圖 6  用于水下軟體機器人的柔性傳感器

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圖 7  (A)不同太空探索應用的各種軟體機器人概述[22];(B)由氣動連桿組成的軟體機械臂,可存儲于小型包裝中用于太空應用[92];(C)太陽能驅動的軟體機器人驅動器 [193]; (D)介電彈性體軟體仿尺蠖機器人及其奔跑-跳躍運動機制[195]。
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圖 8  空間環境應用柔性傳感器
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圖9  密閉空間搜救與管道檢測軟體機器人直徑對比分析。蠕蟲機器人(50 mm):采用多氣動驅動單元構型,通過軸向拉伸、徑向膨脹與彎曲變形復現生物蠕蟲運動特征,應用于管道檢測[208];章魚仿生機器人(70 mm):基于肌腱驅動原理設計,集成仿生吸盤結構,實現管道內自適應攀爬運動[216];氣動管道機器人(84-115 mm):通過氣動驅動模式調控實現多模態管道運動[209];藤蔓生長型機器人(200 mm):采用尖端延伸與導向控制技術的氣動仿生系統,具備定向生長能力[207]。
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圖 10  搜索和救援環境中的柔性傳感器

總結與展望

軟體機器人在人體、海洋、太空和狹小空間等極端環境中相較于傳統剛性機器人具有獨特優勢,如柔韌性、生物相容性和輕質特性。它們可變形、自愈,且更適合安全接觸人體,適用于特定應用場景。但由于材質柔軟且行為非線性,其動力和控制能力相對較弱。為此,研究者正開發結合剛性與柔性部件的混合系統,以提升性能并拓展應用范圍。未來應加強材料性能、引入AI控制,并在設計中注重可用性與可持續性,推動高性能軟體機器人從實驗室走向實際應用。

通訊作者

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Holly McIlwee Golecki 伊利諾伊大學教學助理教授 博士

現任伊利諾伊大學生物醫學與轉化科學系教學助理教授。她在材料科學與工程領域擁有堅實的學術背景,先后獲得德雷塞爾大學材料科學與工程學士及碩士學位,并在哈佛大學獲得工程科學博士學位。

Golecki博士的研究興趣涵蓋工程教育、生物材料力學以及軟體機器人等交叉學科領域,致力于將工程科學應用于生物醫學與可穿戴系統的創新研究。她積極投身本科教學,近年來主講的課程包括《生物工程導論》《開放專題研討》《高級設計 I/II》及《生物工程畢業設計》等。

基金支持

本研究得到了亨利·盧斯基金會通過克萊爾·布思·盧斯本科生研究獎的支持,以及國家科學基金會(項目編號#2106286)的支持。

引用信息

Kulkarni, M.; Edward, S.; Golecki, T.; Kaehr, B.; Golecki, H. Soft robots built for extreme environments. Soft Sci. 2025, 5, 12. http://dx.doi.org/10.20517/ss.2023.51

第一作者:Mayura Kulkarni

通訊單位:伊利諾伊大學

全文鏈接https://www.oaepublish.com/articles/ss.2023.51

文章來源:SoftScience


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