新材料如何重塑未来工厂？软机器人技术迎来突破
新材料如何重塑未来工厂？软机器人技术迎来突破
近年来，随着新材料技术的突破性进展，软机器人正在从科幻走向现实，为未来的工厂和医疗领域带来革命性的变化。这种由柔性材料制成的机器人，不仅能够提高生产效率，还能在复杂环境中安全地与人类协作，展现出广阔的应用前景。
新材料：软机器人技术的突破
软机器人的核心优势在于其柔韧性和适应性，这主要得益于新材料的应用。目前，3D打印技术已成为制造软机器人的主流方法之一。例如，美国西北大学的研究团队采用3D打印技术，使用热塑性聚氨酯材料制造柔性致动器，使得生产过程更加便捷，成本也显著降低。这种新型致动器的材料成本仅约3美元，比传统刚性致动器便宜得多。
更令人瞩目的是，江南大学纺织研究所孙丰鑫副研究员团队在《Cell Reports Physical Science》期刊上发表的一项创新成果。该团队利用工业编织技术，开发出一种基于织物工程设计的编织气动软机器人。这种机器人集成了定向驱动、双侧弯曲及自感知功能，展现了其在医疗护理和安全人机交互等领域的独特优势。
编织执行器的结构与性能
孙丰鑫团队使用了一种特殊材料打造，编织层中的经纬纱系统使得织物具备高度的各向异性力学特性，这是实现高效、可控变形的关键。低弹性的聚酯（PET）纱线作为经纱，保证了织物的稳定性和一致性；而高弹性的氨纶包芯纱作为纬纱，则赋予了织物在特定方向上的弹性变形能力。
通过织物结构和材料组合，孙丰鑫副研究员团队打造的编织驱动器在充气变形时展现出了近零泊松比特性。这意味着在纵向伸长时，驱动器的径向膨胀几乎为零，从而大大提高了驱动应变（高达2,250 m-1）和输出力（30 N MPa-1），同时增强了机械性能的鲁棒性。
编织层的表征和编织致动器的致动性能
为实现双侧弯曲变形，研究团队在编织过程中集成了预张力弹性纱线和限应变纱线。预张力纱线在未充气状态下自然收缩，使驱动器向一侧弯曲；而在充气过程中，由于织物层不同区域的弹性差异，驱动器会向另一侧反向弯曲，从而实现了正、负曲率的灵活调控。
此外，内置的应变感知纱线是该技术的另一大亮点。该纱线由银丝编织而成，紧密围绕预拉伸的氨纶丝排列。当驱动器弯曲时，应变感知纱线受到拉伸，导致纱线电阻发生变化，从而实时监测并反馈驱动器的弯曲状态。这种设计将传感与驱动功能完美融合，避免了传统“附加式”传感器带来的界面应力不兼容问题。
织物编织气动软机器人
实际性能表现优异：
为了验证织物编织气动软机器人的性能，孙丰鑫副研究员团队对其进行了测试，由于采用了独特的编织工艺和材料选择，驱动器在充气时能够实现近乎零泊松比的变形，这意味着在径向几乎不膨胀的情况下，驱动器能够沿纵向大幅伸长，从而显著提高了弯曲应变和输出力。
孙丰鑫团队表示，在实际测试中，驱动器在100kPa的气压下能够达到2,250 m⁻⊃1;的弯曲应变，并产生高达30N MPa⁻⊃1;的输出力。这一性能远超过许多现有报道的基于编织、针织或其他纺织材料的气动驱动器，展示了其在能量利用效率和机械性能上的显著优势。
双向弯曲编织执行器的驱动性能
其次，驱动器在双侧弯曲变形能力方面同样表现出色。通过集成预张力弹性纱线，驱动器能够在充气过程中实现正向和反向弯曲，且弯曲曲率可通过调整预张力大小进行定制化设置。这种双侧弯曲变形能力不仅增强了驱动器的适应性和灵活性，还为其在复杂环境中的应用提供了更多可能性。在实验中，驱动器在不同气压下表现出稳定的弯曲曲率和输出力，验证了其设计的有效性和可靠性。
用于自感知执行器的应变传感纱线的传感性能
在传感性能方面，内置的应变感知纱线通过实时监测电阻变化来反馈驱动器的弯曲状态，实现了高精度的自我感知能力。这种自我感知能力使得驱动器能够在不可见环境中有效预测和调整自身运动状态，为智能软件机器人的发展提供了重要支持。
此外，应变感知纱线在多次拉伸-释放循环中表现出良好的稳定性和耐久性，确保了驱动器在长期和快速应用中的可靠性。
聚焦医疗健康与可穿戴设备领域
商业路径清晰
传统刚性外骨骼设备在医疗康复过程中存在舒适度低、适应性差等问题，而织物编织气动软机器人以其柔软、透气、轻便的特性，为患者提供了更为舒适和个性化的康复体验。在实际场景的表现当中，织物编织气动软机器人可作为辅助肢体运动的穿戴设备，帮助患者在康复过程中进行精准、高效地训练，加速恢复进程。同时，其双侧弯曲变形能力和自感知功能使得驱动器能够根据患者的实际需求进行动态调整，实现个性化康复方案。
编织执行器在软夹持器和医疗保健可穿戴设备中的应用
由于采用织物编织软材料设计，该机器人可广泛应用于智能手环、智能鞋垫、智能衣物等各类可穿戴产品中。通过集成传感器和运动监测算法，该机器人不仅能实时监测用户的运动状态和健康状况，还能根据用户的实际需求提供个性化的运动建议和健康管理方案。
结语与未来
通过将纺织制造的原理与尖端的机器人和传感技术相结合，这一创新为提升康复体验提供了新的灵活性和功能性。随着这项技术的不断发展，它有潜力彻底改变我们对康复和辅助可穿戴设备的看法，让这些设备变得更加有效、舒适和易于接触，帮助更多需要帮助的人。基于机织结构的易调控性和力学的独特性，其已经在多个领域具有广泛应用。可预见到机织结构软件驱动器也将会有进一步发展与实际应用。
工业应用：从实验室到工厂
在工业生产中，软机器人展现出独特的优势。传统刚性机器人在处理柔性异形、易损物品时往往力不从心，而软机器人则能轻松应对这类挑战。据统计，目前全球工业界只解决了3%-4%的规则与刚性物品的自动化生产搬运问题，剩余96%左右的柔性异形、易损物品，仍只能使用人工上下料。软机器人的出现，为解决这一难题提供了新的可能。
例如，在食品加工行业，软机器人可以安全地抓取和包装易碎的水果和蔬菜，避免了传统刚性机器人可能造成的损伤。在电子产品组装中，软机器人能够精确处理脆弱的零部件，提高了生产效率和产品质量。
面临的挑战与未来方向
尽管软机器人技术取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首先是成本问题。虽然新材料的应用降低了部分成本，但整体而言，软机器人的制造和维护成本仍然较高。其次是技术瓶颈。例如，驱动效率、感知能力等方面仍需进一步突破。此外，如何实现更复杂的运动和更精细的操作，也是未来研究的重要方向。
未来，软机器人技术的发展将主要集中在以下几个方面：
生物仿生设计：通过模仿自然界中的生物特征，设计出更高效、更灵活的机器人。例如，北卡罗来纳州立大学的研究团队开发的以曼塔魟为灵感的软机器人，不仅在速度上取得了突破，达到每秒6.8个身体长度的游泳速度，还在运动机制上实现了垂直移动的能力，极大地扩展了其应用范围。
自我修复材料：这种材料能够在受损后自行恢复，提高机器人的耐用性和可靠性。
多模态感知：通过集成多种传感器，使机器人具备视觉、触觉等多种感知能力，更好地适应复杂环境。
软机器人技术的崛起，预示着一个全新的机器人时代即将到来。随着新材料和新技术的不断突破，我们有理由相信，未来的工厂里，将有更多柔软而灵活的机器人与人类并肩工作，共同创造更美好的未来。