技术挑战与现有方案局限性 - 在狭窄空间操作是机器人技术面临的标志性挑战 突破该技术瓶颈可提升微创手术 管道维护 航空航天检测等任务的可行性 安全性 效率与经济性[1] - 蛇形连续体机器人因良好的形状适应能力被视为潜在解决方案 但现有设计多采用增加执行器提升灵巧性的范式 导致结构复杂 成本上升 控制难度增加 限制实用化进程[1] - 传统连续体机器人靠滑动插入狭窄空间 新兴尖端外翻软生长机器人通过尖端外翻方式前进 穿越复杂环境时几乎不产生摩擦 降低环境阻力与损伤风险[1] - 软生长机器人实际应用受制于关键技术难题 即如何在保持柔性结构特性的同时实现可逆 多次弯曲的形态控制[2] - 现有转向方案如气动肌肉 多驱动器 肌腱驱动等存在难以解耦尖端与机体形变 形变不可逆 驱动系统复杂等缺陷[2] HasMorph新范式核心创新 - 英国谢菲尔德大学曹林教授团队提出迟滞辅助形状重构新范式 将倒置锯齿形腱鞘机构与尖端生长机制结合 仅使用两个执行器实现多段弯曲 可逆形态重构及可转向的无摩擦尖端生长能力[2] - HasMorph主动利用摩擦引起的迟滞效应 通过调整两个肌腱执行器的加载顺序与幅度获得多种机器人形态 实现可逆 多段弯曲变型而无需增加驱动器数量[4] - 该设计突破传统依赖更多执行器实现灵活变形的思路 将通常被视为系统缺陷的迟滞现象转化为可控的机器人形态调节机制[4][5] - 研究团队设计倒置锯齿形腱鞘传动机构结合尖端生长机制 使机器人实现领航跟随式的灵活 无摩擦运动 在非结构化环境中展现优异适应性与操作灵活性[4] HasMorph工作原理与机械设计 - HasMorph在充气连续体梁内部布置两套对称的倒锯齿形腱鞘传动系统 每条肌腱从基座出发经柔性导向鞘延伸至尖端 再通过固定在内壁的弯曲鞘段返回基座 形成倒置锯齿形布线结构[5] - 导向鞘为不可压缩螺旋弹簧线圈 确保电机端位移精确传递至尖端 弯曲鞘段将机器人划分为多个独立弯曲单元[5] - 肌腱被拉动时充气梁在相邻弯曲鞘段间隙处产生局部屈曲 由于鞘段弯曲特性 肌腱滑动受可预测摩擦导致张力从尖端到基部衰减[6] - 拉伸阶段弯曲从最远端开始逐段向基部传播 释放阶段解弯过程从尖端依次返回基座 造成弯曲与回直的路径差异 这种形状滞后是实现每个关节精确控制的关键[6] - 通过控制前5个关节弯曲后仅回直前4个关节 可使第5关节保持弯曲 其他关节处于默认状态 扩展至整个机器人可实现任意关节独立控制 每个关节具备正向弯曲 负向弯曲和保持直线三种基本状态[6] - 对于具有n个关节的机器人 仅需两个马达即可实现理论上3^n种形态配置 例如3关节机器人可实现27种不同姿态[6][18] 软生长机器人运动模式与应用 - 将充气连续体结构向内反转构成尖端外翻软生长机器人 在反转材料内部增设中央收缩肌腱控制内层材料释放与回收[8] - SGR由三条肌腱与气压系统协同驱动 系统调节输入参数实现平稳运动 具备实时肌腱张力监测功能 可自动施加预紧力降低操作复杂度 避免腱间耦合干扰 提升控制精度与响应性能[8] - HasMorph使软生长机器人具备四种基本运动模式：直线生长模式下约2 psi气压驱动机器人通过内部材料外翻实现线性延伸 系统实时监测中央肌腱张力协同控制生长过程[9][10] - 外部褶皱诱导转向模式下单侧肌腱被拉动时机器人外层材料自尖端向基部形成褶皱 造成两侧长度差异实现转向 该模式独立于生长过程 可不改变长度调整方向[11] - 耦合生长与转向模式下两侧肌腱释放量不一致时机器人在延伸过程中同步实现方向变化 差分生长机制赋予机器人领航跟随能力 尖端确定运动轨迹后续部分动态跟随 使其在狭窄复杂环境中直接生长为目标形态[12] - 尖端缩短模式下两侧肌腱同时收紧时机器人长度缩短 随后有选择释放单侧或双侧肌腱可重新延伸并转向 实现姿态重置或路径再规划[13] 性能验证与产业前景 - 实验验证显示HasMorph在复杂障碍环境中具有多段弯曲 路径切换与形状锁定能力 在搜索救援 医疗内镜导航等场景展现良好应用潜力[18] - 机器人回缩与避障能力通过同时拉动两根肌腱实现自尖端开始的缩短 为实际应用中的障碍躲避带来极大灵活性提升[19] - 在随机创建的复杂环境中基于实时控制机器人能灵活翻越障碍并多次重新配置自身姿态尝试探索每个角落[20] - HasMorph在构型多样性 环境交互与实时控制方面表现优越性能 为软体连续体机器人在真实场景部署提供可靠技术支持[21] - 该研究成果发表于国际权威期刊《Science Advances》 标题为"Hysteresis-assisted shape morphing for soft continuum robots"[5]