近日，机器人领域权威学术期刊《Science Robotics》刊登了本实验室赵朋教授团队的最新研究成果，题为“Bistable soft jumper capable of fast response and high take-off velocity”。该研究旨在解决目前小型软体机器人运动能力不足的缺陷，创新地提出了一种基于立体折叠的双稳态结构与磁化设计，通过磁场驱动实现突弹跳变，实现能量的高效存储与快速释放。基于该原理所开发的双稳态弹跳机器人展现出突出的性能，实现了最高超越自身高度100倍的弹跳能力，并保持了数十毫秒级的超快响应速度。该研究为软体机器人的高效运动提供了新的思路。浙江大学机械工程学院赵朋教授、张承谦博士与卡内基梅隆大学Carmel Majidi教授为论文通讯作者，浙江大学机械工程学院博士生唐道梵和张承谦博士为论文第一作者。论文第一单位是浙江大学流体动力基础件与机电系统全国重点实验室。
视频1 超过身高100倍弹跳演示
近年来，软体机器人凭借其多样的功能、高度的顺应性以及相对低廉的制造成本，逐渐成为刚性机器人的重要补充。研究人员一直致力于为小型软体机器人开发出更为高效的运动方式，以提升其工作效能。在自然界中，许多生物利用弹跳作为运动、捕食或躲避天敌的方式。弹跳对功率输出有着较高的要求，为了能使软体机器人具有弹跳能力，研究人员尝试采用刺激响应材料，通过预先存储能量再释放的方式来提高输出功率以实现弹跳，而这一过程普遍伴随着较长的响应时间。因此，在现有的基于刺激响应材料的弹跳系统设计中，高功率输出与高速响应往往难以兼顾，这极大地阻碍了软体弹跳机器人的进一步发展。
首先，为了进一步提高软体弹跳机器人的输出功率，研究团队在先前研究的基础上（Nano Energy, 2021, 89, 106424.）提出了一种弹性立体折叠的新思路。该设计将高模量的磁性材料用于驱动部分，而低模量的硅胶材料则用于形变部分，构建出可上下翻折的立体结构。该结构具有双稳态，当在外力的驱动下，结构从初始稳态翻折至第二稳态时，折痕处成为应变集中区域，积累了大量弹性势能。处于第二稳态的结构实际上维持在一个脆弱的稳定状态，只需施加轻微的反向作用力，即可触发突弹跳变现象。结构会迅速从当前稳定状态跳回初始稳态，并在此过程中释放出存储的弹性势能。作为一种功率放大机制，突弹跳变可以实现弹跳机器人的高功率输出。研究团队对该立体结构进行了进一步的优化设计，通过调节能量势垒，使其在能够存储更多的弹性势能的同时也能保持更高的稳定性。
图1 双稳态弹跳机器人工作原理示意图
除了输出功率，响应速度也是衡量软体弹跳机器人性能的关键指标。研究团队开发了一种基于磁场的无线实时驱动方法，用于高效且精准地操控双稳态弹跳机器人。双稳态弹跳机器人内部磁性材料的磁化方向经过排布设计，脉冲磁场可以以一种非接触的方式驱动弹跳机器人在两种稳态之间快速切换，从而实现能量的高效存储与释放。相比现有弹跳机器人动辄数十秒的准备时间，基于双稳态的磁控弹跳机器人能够在前次弹跳落地后，仅在50毫秒内就完成复位并再次弹跳，真正达到了与自然界中弹跳昆虫相媲美的响应速度。
视频2 超高速摄像机所记录下的突弹跳变行为
研究团队对双稳态弹跳机器人在磁场下的动态响应进行了深入研究。基于其在不同磁场参数条件下的响应特征，双稳态弹跳机器人可以实现两种截然不同的运动模式：大幅度跳跃和连续性微跳。双稳态弹跳机器人既可以利用大幅度跳跃模式实现大范围的高效移动，也可以依托连续性微跳模式可以实现精确的位置调整。两种运动模式相互补充，极大地增强了双稳态弹跳机器人的灵活性。
图2 双稳态弹跳机器人的两种运动模式
双稳态弹跳机器人除了可以垂直弹跳以外，还能在磁场的引导下实现360度全向弹跳。通过精确调整磁场的强度和方向，双稳态弹跳机器人的弹跳轨迹在高度和距离上都能得到细致的调控，实现了真正意义上的定向弹跳。
视频3 定向弹跳展示
为了展示双稳态弹跳机器人在复杂环境和受限空间内的应用潜力，研究人员搭建了模拟封闭管道的实验场景。双稳态弹跳机器人需要穿越封闭管道并完成对管道内水质的净化。面对S形管道，双稳态弹跳机器人能够通过连续微跳的方式灵活地进行穿越；面对高度落差超高自身身高10倍的U形管道，双稳态弹跳机器人利用其精确的定向弹跳能力，成功跨过了U形管道，展现出了良好的通过性。除了陆地环境，双稳态弹跳机器人还能在水下环境中利用连续性微跳进行有效移动，并具备了从水下到空气的跨介质弹跳能力。如图3所示，在利用自身所携带的载荷完成水质净化的任务后，双稳态弹跳机器人从水底起跳，并在出水过程中调整自身角度，最大限度地降低了穿越水面时的阻力，最终顺利地跃出水面。
图3 双稳态弹跳机器人在封闭管道中的运动演示
视频4 双稳态弹跳机器人跨介质弹跳展示
总结来说，双稳态弹跳机器人以其独特的设计和驱动机制，在软体机器人领域展现出显著的创新性和应用潜力。该机器人不仅在弹跳高度、响应速度和控制精度方面超越了现有研究，还能够适应陆上、水中以及封闭管道等多种复杂环境。借由磁场的精确调控，它实现了快速复位和多种运动模式，包括大幅度跳跃和连续性微跳，相比同类弹跳机器人具备了更好的灵活性。该项研究为未来高性能软体机器人的发展提供了新的发展思路。
该工作是团队近期关于磁性功能器件成形制造相关研究的最新进展之一，得到了国家自然科学基金、省重点研发等项目的大力支持。近年来，磁功能器件因其响应快、无线传输的特性受到了广泛关注，团队采用折纸工艺制备了柔性磁驱动功能器件（Nano Energy, 2021, 89, 106424.），实现了二维结构向三维结构的形态转变以及单功能向多功能的驱动转变。随后，团队利用磁化设计方法结合空间磁场分布建模，制备了大面积柔性触觉功能器件(ACS Nano, 2022, 16 (11), 19271-19280)，依靠磁信号实现了大面积力-位置感知；团队还从理论上证明了一种全新的三维解耦磁化结构设计，并以此为基础开发了三维力解耦触觉感知功能器件（Adv. Mater.,2024, 36(11), 2310145）。团队在磁场辅助增材制造磁功能器件方面的工作（Adv. Funct. Mater., 2021, 31 (34), 2102777、Mater. Design, 2023, 112588.）也为后续高性能磁功能器件的形性一体化制造奠定了良好基础。