人造肌肉“以柔代刚” 在微细管道巡检探测中大显身手

由新型软性材料精心打造的人造肌肉，展现出令人惊叹的柔软度。这种肌肉不仅拥有高功率密度和长久寿命，更拥有智能变形的神奇能力——在外部电场的刺激下，它可以改变形态。就像蚯蚓在泥土中灵活穿梭，它也能在弯曲的管道内被动适应，紧紧贴合管道内壁。

想象一下，航空发动机内部那些错综复杂、曲折蜿蜒的管道。对这些管道的定期检查和维护，通常依赖于专门的管道机器人。传统的刚性材料机器人难以满足微细管道的检测需求，因为它们“块头”较大，无法进入这些狭窄的空间。

幸运的是，软体机器人技术正在飞速发展，尤其是那些由智能材料驱动的机器人。清华大学的科研团队已经走在了前沿，他们研发了一种蚯蚓仿生管道机器人。这个机器人以新型软性材料介电弹性体致动器和智能复合微结构为基础，模拟了蚯蚓的运动方式。相关研究已经发表在《科学·机器人》等国际知名期刊上。

蚯蚓依靠肌肉和刚毛的协同工作，能在极其狭窄的环境中轻松移动。这款机器人的人造肌肉同样展现出了可控的收缩和变形特性。而智能复合微结构则扮演着类似于蚯蚓腹部刚毛的角色，让机器人在微细、弯曲的复杂管道内能够高速“蠕动”，灵活自如地进行巡检和探测。人造肌肉赋能管道机器人：变形适应微细管道

传统的管道机器人多以轮式、腿足式、履带式等形态出现，其主要构件如电机、齿轮、传动杆件多采用刚性材料，适用于大口径管道巡检。但当管道直径缩小至1厘米以下时，这些刚性材料的机器人却无法按比例缩小，以适应微细管道的工作环境。

一个研究团队成功研发出一种蚯蚓仿生管道机器人，其体型仅比常见的蚯蚓稍粗，重量轻盈，仅有2.2克，长度4.7厘米，直径不到1厘米。不同于蚯蚓由若干小体节组成，这款机器人由三部分拼装而成：延伸单元、锚定单元和磁单元。

其中，延伸单元是一种柔软的人造肌肉，这是该机器人能够实现尺寸小型化的关键。论文通讯作者、清华大学机械工程系副教授赵慧婵告诉科技日报记者，团队创新性地采用弹性体软材料和柔性电极材料层层交替堆叠卷绕的方式，成功制备出这种人造肌肉。这种人造肌肉不仅解决了刚性材料无法缩小的问题，还在外界刺激下具备变形能力，使得机器人在微细管道中能够更加灵活地前进、转弯甚至爬行。

这种蚯蚓仿生管道机器人的出现，为未来的微型机器人技术开辟了新的道路。在医疗、环保、工业等领域，这种微型机器人在狭小空间内的应用前景广阔，如人体血管、微小裂缝或裂缝中的检测与维护等。这种人造肌肉的研究与应用，将推动微型机器人的智能化和柔性化发展，为未来的科技产业带来革命性的变革。在赵慧婵的介绍中，我们了解到一种新型的人造肌肉制备技术。这种人造肌肉不仅柔软，而且拥有高功率密度和长寿命的优势。更值得一提的是，它在外界刺激下可变形，能够适应弯曲管道的曲率，展现出智能性。这一创新技术的特点让机器人能够在管道中快速“蠕动”，利用人造肌肉的可控收缩和舒张变形特性，实现高效运动。

受蚯蚓蠕动行为的启发，研究团队致力于让管道机器人真正动起来。除了上述的人造肌肉构成的延伸单元，机器人的锚定单元也是关键。为解决这一难题，团队采用了智能复合材料微结构技术，通过激光切割及热压成形工艺，设计制造了一种特殊的刚性组件。这些密集附着在延伸单元底部的刚性组件，使机器人能够高效移动。

汤超作为论文的第一作者，详细介绍了这一过程。他强调，为了避免软性材料的黏性对运动速度的影响，团队经过多次讨论和研究，最终选择了这种智能复合材料微结构技术。现在，通过人造肌肉和刚性组件的结合，管道机器人已经具备了像蚯蚓一样“蠕动”的物质基础。

这一技术的成功研发为管道机器人领域带来了新的突破，有望在未来为各种管道检测和维修任务提供高效、智能的解决方案。在复杂的管道环境中，管道机器人以其独特的应用场景而备受瞩目。想象一下，在多介质、多材质、变管径的管道内，它必须按照一定的速度进行高精度的探测工作。那么，究竟哪些因素会影响这款机器人的移动速度呢？

赵慧婵为我们揭示了其中的奥秘。在高频驱动下，软性材料的黏性会对其变形幅度产生阻碍，并与驱动信号之间形成微小的时间差。材料的共振特性却能放大变形的幅度。研究团队通过精心调制驱动信号的频率和相位，巧妙地匹配和适应材料的黏性、惯量、弹性等特性。这样做不仅能避免黏性带来的不利影响，还能充分发挥共振的增益效应。

经过多次实验和建模分析，研究团队对机器人的动态特性有了深入的了解。他们对软性材料的驱动特性如黏性、共振特性等进行了精细调控和利用，成功实现了机器人在亚厘米大小管道中各个方向的快速运动。实验数据显示，当机器人以约100赫兹的频率“蠕动”时，其运动速度最能保障探测效率。

这款由新型软性材料和智能复合微结构构建而成的管道机器人，除了用于管道检测外，其在微型飞行器、微型地面移动机器人等领域的驱动和传动也有着广泛的应用前景。赵慧婵表示，尽管面临制备工艺规模化、稳定性问题以及智能材料与结构服役寿命等挑战，但该机器人技术在航空发动机管路检修等领域具有巨大的潜力。

想象一下，未来的飞机发动机检查不再需要高技能的工程师长时间工作，而是由这款“以柔代刚”的管道机器人轻松完成。它能在狭窄的管道中自由穿梭，将沿途的所有图像实时传回，极大地节省了工程师的时间和精力。这无疑是一项令人振奋的技术突破！