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机器人开展早期多是由连杆、机电跟编码器等刚性元件组成，相关研讨集合正在结构设计、动学、动力学跟节制上。近期，智能资料的不休冲破为机器人的研讨斥地了一条新的途径。不像钢铁等“不魂灵”的资料，智能资料存在必然的“生命”，他们会对电、热、磁、光等外界旌旗灯号的安慰作出相应，从而身体会变形，发生蜿蜒、伸长、扭转等运动。而且良多智能资料的电阻、电容、磁性跟光导效应等正在变形或许遭到外力时会产生转变，存在生成的传感才能。将智能资料用于机器人中，可以使机器人本体存在必然的智能驱动跟传感才能，正在没有须要节制旌旗灯号的环境下，便可以自立天运动，使身体“活”起来，而且可以依附传感“纪录”本人身体的变形跟遭到的外界力等信息。

正在清华大学孙富春传授的指点跟撑持下，北京科技大学副教授郝雨飞跟清华大学孙富春传授团队方斌等成员协作对智能资料跟机器人的联合与开展停止了长篇综述剖析，正在机器工程学报英文版颁发论文“AReviewofSmartMaterialsfortheBoostofSoftActuators，SoftSensors，andRoboticsApplications”，从驱动跟传感两个方面对各种智能资料正在机器人中的使用停止了系统地先容。

1、智能驱动

1.1电驱动资料

电驱动资料是正在电场的作用下可以发生形变的资料。正在电驱动资料中，使用比力普遍跟成熟的是介电弹性体（Dielectricelastomer，DE）。如图1所示，DE普通由两层柔性电极层跟一层介电层构成，介电层夹正在电极层中央。正在不电压的时间，介电层不会变形。当施加下电压时，两个电极层中央的电场会发生麦克斯韦应力，使介电层正在该力的作用下会受压变形，招致纵向厚度削减，横向面积扩展，从而将电能转化为机械能。

图1DE事情原理

DE的这类电致扩张效应被广泛应用于机器人中作为驱动部件。比拟机电等刚性驱动器，DE结构紧凑，操纵简略，经由过程结构设计可以实现各类分歧的运动。好比将圆形DE的外周流动，中央揭上磁铁。施加电压后它的面积收缩会兴起，断开电压后，又会遭到磁铁的吸力规复本相，应用这类往复运动可以建造微流体隔膜泵。限定某一个电极层使它不克不及延展，会使全部DE驱动正在电场力的作用下蜿蜒，从而发生扭捏运动，应用这个特色，可以建造林林总总的仿生机器人。

机器人智能AIROBOT，Festo#软体脚

1.2热驱动资料

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热驱动资料是对温度比力敏感的资料。当经由过程电流等间接加热或许紫外光等直接加热方法把资料加热到必然温度后，资料的份子间组成会产生转变，从而招致弹性模量降低或许变形膨胀等。形状记忆聚合物（Shapememorypolymer，SMP）就是一种当加热温度跨越玻璃转化温度后，弹性模量急剧下降的热相应变刚度资料。它的弹性模量最多可以降低数百个量级，是以被普遍用正在机器人中来转变机器人的部分刚度，丰硕机器人的构型。应用温度借可以对其停止编程，使其存在必然的形状记忆效应。如将SMP布置正在折纸机构的枢纽处，当加热后，折纸机构会自动从二维立体折叠到三维布局。经由过程编程SMP，使其加热后从蜿蜒形态蜷缩，可以驱动自重构机构从二维立体机构重构到三维机构。当编程使其加热时蜿蜒，借可以制成微型抓持脚，使抓持脚正在蜿蜒时包覆并抓取物体，冷却后因为弹性模量增大，借可以连结蜿蜒态将物体锁住。

图2基于SMP的机器人

1.3磁驱动资料

磁驱动资料多是将磁性粒子混入硅橡胶等硬资料的复合材料。正在磁场的作用下，磁性粒子可以被磁化，发生无效的磁化曲线，而磁化曲线的标的目的跟幅值等也是可以被转变的。当将磁相应资料制成的驱动器置入磁场中时，空间漫衍的磁场将跟磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁场跟空间磁场对齐，从而发生扭矩，招致膨胀、伸长跟蜿蜒等变形。经由过程转变驱动旌旗灯号、磁化曲线、资料的外形跟刚度等，可以计划出分歧变形模态的驱动器。因为磁场可以穿透年夜规模的资料，而且可以实现无缆驱动，磁性驱动器是正在狭小空间下功课的幻想取舍，被普遍用正在微型无拴机器人中。机器人智能AIROBOT，2018#清华#并联机器人#软体脚生果#抓取

如图3a的仿生微型水母机器人就是采取磁性复合材料作为驱动的，正在外界震荡磁场的作用下，驱动器经由过程分歧的摆动战略驱动周围的流体发生分歧标的目的的活动，从而使机器人可以上浮、下潜等。经由过程磁场节制庞大的磁化曲线，借可以实现微型机器人正在分歧的液体跟固体地形之间切换的多模态运动，使其正在液体的外部跟概况游动，攀登站台，正在牢固的概况上滚动跟行走，超出障碍物和正在狭小的隧道内匍匐等。磁相应资料的制备最紧张的是对磁性粒子的磁化跟编程，普通是将复合材料置于磁场中来磁化磁性粒子。更加新奇的方式是经由过程3D打印去实现。如图3c所示，正在打印喷嘴的周围安插流动磁场或许电磁场，当打印带有铁磁粒子的复合油墨时，油墨颠末喷嘴时便会磁化磁性粒子，使其沿磁场标的目的安插，经由过程这类方法可以打印各类庞大磁化曲线的机器人，使它们正在磁场的作用下发生各类庞大的特定运动。经由过程这类方法打印出来的接连体机器人，尺寸可以到达亚毫米级别，而且可以正在磁场的引诱下沿随意率性标的目的运动，比拟线驱的或许气动的接连体机器人，这类磁驱动机器人岂但可以实现无缆驱动，而且加倍灵巧，是医疗内腔手术等狭小空间功课的机器人的一个前景标的目的。

图3基于磁相应资料的机器人

1.4光驱动资料

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与磁驱动近似，光驱动也存在可近程节制、相应疾速、微小型化等特色。光驱动资料平常是正在硅胶、液晶弹性体等聚合物中增添对光比力敏感的填充物去造成，正在光照的环境下，它们可以蜿蜒、膨胀或许收缩等，而且这些变形皆是可逆的。转变光的波长、强度跟映照工夫等皆可以影响这些驱动器的相应，从而对光驱动机器人编程，使它们实现期冀的运动。光照也可以诱发光化学反应，从而供给能量使机器人运动。图2-10a中的微型马达就是应用氯氧化铋（Bismuthoxyiodide，BiOI））作为光催化剂引发的系列氧化跟复原反映去驱动本体自发行进的。BiOI可以被包罗蓝光跟绿光等系列可见光激活。微型马达由两个半球构成，一个半球中概况笼罩金属，此外一个半球中概况笼罩BiOI，正在可见光映照下，BiOI中的电子被吸引到金属层，使负电荷正在金属层群集，而BiOI半球则群集因水被氧化而发生的H+离子。为了均衡金属半球的负电荷，H+则从BiOI半球迁徙到金属半球，然后跟电子产生复原反映。H+的迁徙随同着水分子到金属半球的电渗入，从而鞭策微型马达行进。将偶氮苯衍生物疏散白1丙烯酸酯增添到液晶网格（Liquidcrystalnetwork，LCN）中，造成的聚合物正在水中时外部的水份会正在光热作用下解吸，布局消溶胀，应用这类原理可以实现类花朵的布局正在光照的时间自动收拢，无光照时接收水份溶胀自动绽放。将炭黑掺入SMP中，经由过程3D打印打印出的花朵颠末编程后也可以正在光热作用下使花朵遇光之后会自动绽开。将光热单丙烯酸偶氮苯衍生物掺入LCN，它们会接收特定波长的光，然后经由过程异构化作用开释热量，开释的热量会招致热膨胀。经由过程布局节制热膨胀部位，可以使蜿蜒的布局正在光照下蜷缩。图4d就是应用这类原理建造的微型搬用机器人，经由过程光照节制腿跟脚的蜿蜒，机器人可以实现货色的抓取、搬运跟送达等各类庞大的使命。

图4基于光相应资料的机器人

垃圾分拣机器人图片

2智能传感

2.1变阻传感器

变阻传感器可以将外界旌旗灯号转换成电阻的变更，依据电阻的根本公式R=ρL/S（R为电阻，ρ为电阻率，L为电阻的长度，S为电阻的截面积）可得，当电阻的L跟S转变时，电阻值也会产生转变。是以变组传感器的基本原理是将外界变形、受力等信息转换成L跟S的变更，进而使电阻值产生转变。

为了实现对分歧旌旗灯号如拉伸变形、法向力跟剪切力等的反应，变组传感器平常须要将分歧的导电资料计划为分歧的布局，应用布局正在特定力下的特定变形去反应信息。正在各类导电资料中，液态合金由于其导电性下、液态无定形等特色被普遍用来建造各类变组传感器。常用的液态合金材料次要有EGaIn跟GaInstan那两种，它们正在常温下便可以显现液态。将液态合金注入到各类微流体腔讲中，微流体腔讲正在外界安慰下的变形便会招致液态合金电阻的变更，从而反应外界旌旗灯号。如图5a所示的液态合金变阻传感器，它有三层腔道构成，上面两层呈正交的蜿蜒蛇行，正在蒙受x跟y标的目的拉伸时绝对应的电阻便会增长，从而可以检测轴向拉伸，下面一层为圆环状，正在蒙受法向紧缩时电阻会增长，从而可以检测法向应力。图5b所示的传感器构型，正在彼此自力的液态合金腔道下面安排一个刚性受力杆，正在分歧标的目的力的作用下，刚性杆会沿受力标的目的紧缩分歧的腔道，从而使该腔道的电阻值产生转变，以是该传感器可以检测分歧标的目的的力。基于近似的原理，图5c的传感器将液态合金腔道彼此呈90°圆周安插正在崛起的四处，可以实现检测法向力跟剪切力等功用。正在法向紧缩时，一切腔道的电阻值皆发生一致的变更，而正在正在剪切力作用下，一个腔道的电阻减小，对立面腔道的电阻增长，岂但可以检测检测剪切力的巨细，借可以检测力的标的目的。

图5基于液态合金的变组传感器

图书分拣机器人的前景

2.2变容传感器

变容传感器是将外界旌旗灯号如变形跟压力等转换成电容变更的传感器。依据检测旌旗灯号的分歧电容传感器可以计划为林林总总的外形，而正在机器人使用中较为普遍的是平行板电容器。平行板电容器的布局普通为两个电极板之间夹一层介电层。依据平行板电容的公式（C为电容，为相对介电常数，为绝对介电常数，S为两个平行板之间的堆叠面积，d为平行板之间的距离）可知，当S或许d转变时，平行板的电容也会跟着转变，是以那类传感器的计划原理是经由过程被检测旌旗灯号转变S或许d，从而转变电容。

应用平行板电容的原理可以实现单标的目的应变跟法向力等单维旌旗灯号的反应。图6a的传感器是应用变容传感器检测应变信息，经由过程将可延展的导电纤维布粘接正在硅胶介电层的上上面，当拉伸传感器时，传感器的面积会增长，中央硅胶介电层的厚度也会减小，从而招致电容增长。正在法向压力的作用下，平行板电容之间的距离减小，招致电容增长，是以可以用来检测法向压力。因为中央介电层的厚度较薄，若是采取实心的硅橡胶作为介电层的话，灵敏度跟精度皆比力低，是以会正在这类传感器的介电层中增添良多微结构。与实心布局比拟，微结构岂但可以使传感器正在遭到一样压力时位移增大，借因为布局正在压力作用下彼此挤压，增长了等效介电常数，是以大大提高了这类传感器的精度跟灵敏度。这些微结构中，存在代表性的是经由过程刻蚀硅片加工而成的金字塔布局，单个微结构的尺寸最大仅为6µm。将这类微结构夹正在氧化铟锡涂层的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜电极中（IndiumtinoxidecoatedPET，ITO/PET），便可以制成超薄的电容传感器，可是那类传感器加工成本较下。也可以经由过程正在硅胶中增添制孔剂去制造多孔介电层。如图6c所示的传感器，经由过程正在PDMS中增添直径可以小到2µm聚苯乙烯颗粒，等硅胶凝结后，用二甲基甲酰胺将聚苯乙烯颗粒溶掉便可以失掉平均的多孔介电层。那类工艺借可以用NH4CO3、糖等可气化或可溶物体去作为制孔剂。经由过程等离子概况处置惩罚预拉伸后PDMS上概况，开释后因为上概况跟下概况规复水平分歧，也可以制成微波纹状的介电层。

图6单维电容传感器

2.3磁性传感器

磁性传感器是将外力跟变形等信息转化为磁场变更的传感器。磁场传感器普通有两个紧张部门构成：磁性物体跟霍尔传感器。磁性物体普通为永久磁铁或许带磁性的硬物资等，受外力或许变形时，它们周围的磁场会响应的转变，而磁场的变更经由过程霍尔传感器去停止检测。如图7a的软体磁性皮肤，将磁性微粒子混淆到硅胶中制成薄膜，正在薄膜底面安插可以检测磁场的磁力计，当薄膜遭到部分压力时，响应部位的磁性粒子会彼此挤压，招致该部位的磁场变更，这个传感器布局简略，可是可以检测接连的部分变形信息。图7b经由过程将磁铁安插正在霍尔传感器的正上方，正在法向力或许剪切力的作用下，磁铁濒临或许偏离霍尔传感器，招致霍尔传感器检测出分歧的磁场变更，从而对力的巨细跟标的目的停止反应，这类传感器可以被用作机械手的触力觉反应。应用一样的原理可以这类传感器制成阵列安插于机械手的指尖部位，从而将各个面的受力巨细跟标的目的映射，取得物体的三维外形等信息。除可以检测力的巨细跟标的目的中，磁性传感器也可以用来检测蜿蜒等变形信息。

图7磁性力传感器

2.4光导传感器

光导传感器是利用光旌旗灯号的变更去检测外界力跟变形等信息的传感器。光导传感器普通由发射端、接管端跟流传介质构成，发射端收回光旌旗灯号，光旌旗灯号颠末流传介质流传到接管端，当流传介质遭到外界或许拉伸时会变形，招致光的折射率或许强度产生转变，从而可以经由过程接收端吸收到的光旌旗灯号去检测力跟变形等信息。经由过程流传介质的计划，可以使传感器检测分歧的旌旗灯号。图8a的应变传感器是应用管状模具浇筑PDMS实现的，因为PDMS存在很好的延展性，成型的PDMS波导管可以打结，也可以拉伸，当波导管被拉伸时，会因折射率的转变使光旌旗灯号损失，将它安插正在人的喉咙处时，可以检测人的措辞跟呼吸等信息。图8b所示的触觉传感阵列是由硬资料突出物阵列、光发射器跟成像体系构成，光由发射器照射到硬突出物中，当分歧的突出物单位正在外力作用下挤压变形时，响应部门光的强度会发生变化，这类光强度变更终极经由过程成像体系映射为应力求。图8c所示的压力传感阵列由光源、力传感区跟成像区三部门构成。力传感区的每一个单位由一根射入光纤、三根吸收光纤跟一个示踪物构成，光由摄入光纤照射到示踪物概况，然后折射到吸收光纤中，示踪物流动正在弹性资料中。当蒙受外力时，示踪物的会产生位移，从而使吸收光纤的光强度产生转变，经由过程三角测量原理，可以取得外力的巨细跟标的目的。图8d所示的传感器由LED、可拉伸硅胶波导管跟光电二极管构成，LED收回的光颠末波导管后由光电二极管吸收，波导管被拉伸后会转变光的折射率，将波导管漫衍正在气动软体驱动器的上、中、下三个部门，可以经由过程它们的延长形态反应手指的变形信息，应用这个原理，制成的软体脚可以经由过程触摸物体去鉴识物体的外形跟纹理等信息。

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