微型软体机器人用的可转向软皮肤

连续体机器人凭借其柔性主干的连续形变，非常适合在受限和非结构化环境中导航，在检测、搜救和医疗等领域展现出应用前景。然而，传统连续体机器人通常依靠推式驱动前进，可能与周围环境产生不良相互作用，且需要足够坚硬的机身来承受平移所需的轴向载荷。软外翻机器人（或称藤蔓机器人）则通过尖端材料外翻实现生长或延伸，能自然实现随动部署，减少交互力。但要在高度曲折的复杂环境中导航，需要集成主动转向机制。

现有软外翻机器人的主动转向方法分为分布式和局部转向。分布式转向（如气动、肌腱、磁控）或难以微型化，或需半刚性部件，或依赖特定环境；局部转向多依赖 bulky 刚性机电装置，无法保持全柔性且微型化受限。本研究提出一种毫米级、可转向、全柔性的外翻机器人，通过在机器人皮肤集成液晶弹性体（LCE）致动器实现突破。LCE 受热时会收缩，将其功能化到机器人皮肤上，可在机器人长度方向多点实现局部弯曲。

该机器人的设计与制造过程确保了其全柔性和可扩展性：采用薄 LCE 致动器条和聚（3,4-乙撑二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）薄膜柔性加热器，嵌入机器人皮肤不同层，能承受外翻过程中的高形变。通过控制内部压力（影响机身刚度）和致动器温度（影响 LCE 收缩程度），或两者结合的混合控制，可实现弯曲角度调节。建模和缩放分析表明，在特定设计约束下，较小尺寸机器人能在相同压力输入下实现更大弯曲角度范围，但生长压力（维持生长的最小压力）也会增加。

实验表征了压力、温度、LCE 厚度和机器人直径对转向角度的影响：压力控制下弯曲角度与压力呈线性关系；温度控制可独立调节各弯曲角度但关系非线性；混合控制结合两者优势。配备六个致动器的机器人能通过三种控制方法导航曲折路径。应用演示中，机器人成功在主动脉弓模型中递送导管，并在喷气发动机模型中进行检测，展示了其在医疗和工业检测中的实用潜力。

本研究通过 LCE 集成的功能化软皮肤，提升了软外翻机器人的转向能力，为精密受限环境应用迈出关键一步。这种功能化皮肤还可集成到其他对致动器厚度和机械柔顺性有严格要求的软机器人平台中。