通过编程摩擦重定向实现管道内多步态运动的柔性肌腱驱动机器人

《Biomimetics》：Multi-Gait In-Pipe Locomotion via Programmable Friction Reorientation Jaehyun Lee and Jongwoo Kim

为了解决刚性管道机器人难以在狭窄弯道中导航，以及传统软体爬行机器人多依赖复杂多驱动器来实现多向运动的问题，本研究从毛毛虫、水黾等生物体利用定向摩擦和协调锚定-滑移模式获得灵感，提出了一种结合连续体弯曲-扭转变形与模块化各向异性摩擦垫(AFP)的肌腱驱动软体管道机器人。该设计仅用两个电机即实现了纵向爬行、横向平移和原地旋转三种运动模式，并通过编程扭转实现平滑步态切换。管道实验验证了其在直线、弯曲及T型接头段中的稳定接触与可靠步态转换能力，为先进管道检测诊断任务提供了一种结构紧凑、仿生启发的创新平台。

　　

管道系统如同城市的“血管”，对能源运输和工业生产至关重要。然而，管道内部的巡检与维护却是一项充满挑战的任务。狭窄的空间、复杂的弯道、变化的管径，使得传统轮式或刚性关节机器人常常“寸步难行”，容易卡顿或失去牵引力。相比之下，自然界中的“软体大师”们，如蜿蜒前行的毛毛虫、灵活划水的水黾、以及能快速旋转的豉甲虫，它们无需复杂的骨骼关节，仅凭身体的柔性变形与对摩擦力的巧妙利用，就能在复杂环境中自由穿梭。受此启发，科学家们将目光投向了软体爬行机器人。这类机器人通过身体的周期性形变和摩擦调制来运动，能更好地适应非结构化环境。但现有的软体管道机器人大多只能实现单一的轴向运动，缺乏横向移动和转向能力，限制了其在复杂管网中的作业灵活性。同时，许多设计依赖多个驱动器或可重构接触点，系统复杂，不利于在受限空间内部署。那么，能否设计一种结构相对简单，却能像生物一样实现多种运动模式的软体管道机器人呢？

为此，研究人员在期刊《Biomimetics》上发表了一项创新研究。他们从生物协调身体变形与摩擦耦合的原理中汲取灵感，提出并开发了一种肌腱驱动的软体管道爬行机器人。该机器人的核心创新在于，将能够产生弯曲和扭转组合变形的连续体骨架，与具有方向性摩擦特性的模块化各向异性摩擦垫(AFP) 相结合。关键在于，机器人无需额外的机械开关或多个驱动器，而是通过身体的连续体扭转和弯曲变形，主动地重新定向AFP相对于环境的方向。这种“变形诱导的摩擦重定向”机制，使得机器人仅用两个驱动电机，就能像毛毛虫一样纵向爬行，像水黾一样横向平移，甚至能像豉甲虫一样原地旋转，实现了丰富的多步态运动能力。

为开展此项研究，作者团队主要运用了以下几项关键技术方法：1) 肌腱驱动连续体机构设计：采用风箱型折纸结构作为柔性机身，配合四根肌腱实现精确的弯曲与扭转控制。2) 模块化各向异性摩擦垫(AFP)的优化设计与制造：通过3D打印模具浇注硅胶并嵌入磁铁制成AFP基底，并利用选择性涂抹氰基丙烯酸酯胶水在特定脊面形成低摩擦薄膜，从而编程出方向性摩擦特性。同时，通过摩擦测试、恒定曲率建模和有限元分析，对AFP的倾角(θ_a)、曲率半径(R_a)和脊部几何(倾斜角θ_e、高度h)进行了优化。3) 基于变形的运动学建模：建立了将肌腱驱动、骨架运动学与摩擦接触状态相耦合的变形运动框架，用以分析和规划步态及转换。4) 多环境性能验证实验：在平坦不锈钢基板以及直管、弯管、T型接头等多种管道构型中，对机器人的三种运动模式速度、稳定性和步态切换能力进行了系统的实验测试与量化评估。

研究结果表明：

1. 1.
   机器人设计与驱动：机器人主体尺寸为64 mm × 64 mm × 318 mm，重200g，两端为驱动模块，中央为控制模块和折纸机身。每个驱动模块的电机通过拉动一对肌腱实现对侧向的弯曲驱动，两个电机正交布置从而可组合产生弯曲和扭转。机身采用NinjaFlex柔性材料3D打印，具有良好的弹性恢复和抗疲劳性。
2. 2.
   各向异性摩擦垫(AFP)的设计与表征：AFP被设计为底部和侧部两种，分别优化用于纵向爬行和适应管道曲面的侧向附着。通过摩擦测试发现，脊部几何参数为θ_e= 50°, h = 3 mm时，在多种测试板（PLA, SUS 430, 砂纸）上均表现出最高摩擦力。选择性涂层赋予AFP显著的各向异性摩擦特性，且经过40,000次循环滑动测试后，其方向性摩擦差异(ΔF)仍保持稳定，证明了良好的耐久性。通过恒定曲率模型和有限元分析优化了AFP的基底倾角(θ_a)和曲率半径(R_a)，以确保在爬行周期中接地连续平滑，并能更好地贴合弯曲管道内壁。
3. 3.
   多步态运动原理与实现：研究建立了变形运动框架，将肌腱驱动与AFP摩擦方向耦合。通过编程控制两个电机的协调运动，使机器人身体产生特定的弯曲和扭转序列，从而改变不同部位AFP与接触面的相对方向和摩擦力状态，进而驱动三种步态：
   • •
     纵向爬行：模仿毛毛虫，通过身体波浪式弯曲，配合底部AFP的方向性摩擦，实现锚定-滑移式的向前/向后运动。
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     横向平移：模仿水黾，通过身体扭转，使侧部AFP接触并产生侧向推力，实现向左或向右的横向移动。
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     原地旋转：模仿豉甲虫，通过身体特定模式的扭转，使两端AFP产生相反的切向力，驱动机器人绕其中心轴旋转。
4. 4.
   运动性能实验验证：驱动实验表明，机器人在平坦不锈钢表面上可实现可重复的锚定-滑移运动，三种模式的平均速度分别为：纵向爬行28.6 mm/s，横向平移15.7 mm/s，原地旋转11.5°/s。在管道环境测试中，机器人成功在直管、90度弯管和T型接头中完成了稳定的多步态运动与平滑转换，证明了其在实际管道环境中的导航能力和环境适应性。

研究结论与意义：

本研究成功开发并验证了一种基于“编程摩擦重定向”理念的肌腱驱动软体管道爬行机器人。其核心贡献在于，通过将连续体变形与模块化各向异性摩擦结构智能耦合，仅用两个执行器就实现了三种基本运动模式及其间的平滑过渡。这不仅是对生物运动协调机制的一种工程简化，也代表了一种新颖的软体机器人设计范式。相较于前人工作，该系统在结构简单性、多向运动性和环境适应性之间取得了良好平衡。模块化的AFP设计使其摩擦特性可根据不同管道环境（材质、曲率）进行快速重构，提升了平台的通用性。

这项研究的成果具有重要意义。首先，它为在几何受限环境（如管道、血管、狭窄腔道）中作业的移动机器人提供了一种新的、更灵巧的解决方案。其次，所提出的“变形诱导摩擦重定向”原理可以推广到其他需要多模态运动的软体机器人平台，推动仿生机器人向更高效、更智能的方向发展。最后，该平台作为一个紧凑的、仿生的研究载体，有望应用于未来的工业管道检测、维护以及可能的医疗内窥镜等高级任务中，展现出广阔的应用前景。