模块化换装蠕虫仿生软体机器人实现智能多环境自适应

《Advanced Intelligent Systems》：Worm-Inspired Soft Robots With Modular Outfit-Changing for Intelligent Multienvironment Adaptation

本文报道了一种蠕虫启发的软体机器人，通过模块化“换装”策略实现地面、管道、沙地和水下的多环境运动。该设计将气动驱动体节与可互换外模块（摩擦环、刚性鳞片、柔性裙边）结合，通过驱动-摩擦-几何的协同耦合动态平衡锚定与驱动力，最高速度达水下21.7 mm s?1。研究建立了“具身智能”新范式，为探索、检测机器人系统提供可扩展路径。

　　

1 引言

移动机器人在生态监测、基础设施检测等领域的应用日益广泛，但固定形态和预编程步态限制了其在多变环境中的适应性。受蚯蚓、水母等软体生物启发，本研究开发了一种蠕虫仿生软体机器人，通过模块化“换装”策略实现多环境运动。该机器人将气动驱动体节与可互换外部模块结合，通过被动机械重构而非复杂控制算法实现环境自适应，体现了“具身智能”的核心思想。

2 结果与讨论

2.1 设计与制备

机器人由头、躯干、尾三段气动驱动器构成，采用石蜡熔失铸造工艺制备，确保腔体无缝防漏。外部模块包括软质摩擦环、刚性鳞片和柔性裙边，通过螺纹连接快速换装。机器人全长230 mm，重298 g，头尾段耐压150 kPa，躯干段耐压100 kPa。

2.2 蠕动运动原理

运动基于“扩张-锚定-伸长”的协同循环：躯干伸长推动头部时尾部锚定；躯干收缩时头部锚定拉动尾部。运动需满足力学平衡条件：驱动阶段驱动力需大于前行阻力，锚定段摩擦力需平衡反力；收缩阶段需保持前端锚定稳定性。

2.3 平面运动性能

无附件时硅胶体抓地力不足，加装梯形摩擦环后速度提升（陶瓷地砖面达2.1 mm s^?1）。平环因接触面积最大表现最优，速度随躯干压力升高至饱和。运动序列为：尾锚定→躯干伸长→头锚定→躯干收缩。

2.4 管道爬行

通过头尾交替径向锚定管壁实现运动，水平管道速度2.5 mm s^?1，垂直管道无负载时达2.7 mm s^?1。负载能力达3 kg（约10倍体重）。锚定力与压力正相关，140 kPa时前后锚定力分别达197 N和446 N。最佳驱动频率为1.7 Hz，过高频率导致充气不足。

2.5 沙地运动

刚性锥形鳞片在膨胀时展开锚定，收缩时折叠减阻。在70 mm深度可实现0.4 mm s^?1运动，但超过80 mm后驱动力不足。楔形装甲产生负升力稳定潜行，但斜坡上行因沙粒流动锚定失效。

2.6 水下游泳

头尾加装褶皱裙边，收缩时减阻，展开时产生推力。推进力主要依赖压力而非频率，最高速度21.7 mm s^?1（1 Hz）。低频全行程驱动优于高频未充分充气模式。

3 结论

该机器人通过统一蠕动机制与模块化换装，实现了多环境自适应运动，最高速度水下21.7 mm s^?1、管道3.4 mm s^?1、沙地0.4 mm s^?1。研究为软体机器人提供了物理智能新范式，显著降低系统复杂度。

4 材料与方法

驱动器采用Dragon Skin 30硅胶铸造，控制系统基于PLC三通道电磁阀。实验涵盖平面、管道、沙地、水下四类环境，通过力学传感器与高速摄像量化性能。数据采用MATLAB处理，误差棒表示±1标准差。