Science Advances顶刊：激光在石墨烯纸上空间差异化编程可制造柔体章鱼式爬行机器人

来自北京航空航天大学机械工程与自动化学院与自动化科学与电气工程学院的研究人员，在Science Advances上发表了标题为《Hierarchical laser-programmed soft actuators for designing bionic robots with freeform morphing shapes》的研究性论文。他们用一束激光在石墨烯纸的不同位置写下不同的能量与扫描方向，让同一张材料上同时长出电阻梯度与刚度各向异性，从而在一个器件里编码出直弯曲、定向卷曲、刚性支撑与柔性连接四种运动单元，再把这些单元拼成章鱼触手与尺蠖、海豹式的爬行机器人。

论文导读

数字信息的总量大约每三年翻一番，而承载它的介质软体机器人的运动能力受限于驱动方式。常见的做法是给材料一个均匀的刺激响应，比如整体加热、整体光照或整体加电场，材料就整体收缩或膨胀，得到的动作只有一种。要做复杂的三维形变，就得把不同响应的材料拼接起来，或者用多层结构叠出各向异性。这两条路都有代价：拼接的界面是薄弱环节，反复形变容易脱开；多层结构的制造步骤随层数增加，对齐误差累积，能做出来的形状也被限制在少数几种。另一条路是结构化设计，把材料切成特定的几何图案，让它在受热时按预设方式弯曲，但图案一旦确定，动作就固定了，改形状要重新设计、重新加工。作者要解决的问题可以概括为：能不能用同一种材料、同一道工序，做出可以自由设计的复杂动作。他们的答案是把激光当成笔，在材料表面写两种信息：一是局部能量，能量决定该处石墨烯的还原程度，也就决定了电阻与发热量；二是扫描方向，方向决定石墨烯片层的取向，也就决定了该处的刚度各向异性。两个变量叠加，同一个器件上就能出现发热多与发热少、刚与柔、各向异性方向不同的区域，这些区域组合起来，就构成了运动的单元。

全文概述

材料是涂在聚酰亚胺薄膜上的石墨烯层，下面依次是聚酰亚胺前驱体与卡普顿基底。激光扫描时，局部能量决定石墨烯的还原程度与残留含氧基团的数量，还原得越彻底，电阻越低、通电时发热越少；还原不足的区域电阻高、发热多。扫描方向则决定片层的取向，沿一个方向反复扫描会让片层在该方向上排列，形成力学上的各向异性，刚度在平行与垂直方向上差别明显。作者把这两种控制分开称为差异化激光能量与定向激光刻写，两者可以独立施加也可以组合。四种运动单元由此得到：直弯曲对应电阻沿长度方向渐变，受热时弯曲曲率逐渐变化；定向卷曲对应片层取向与电阻梯度叠加，材料在受热时朝特定方向卷起；刚性支撑对应高能量、低电阻的区域，它在整个器件里几乎不产生形变，起到骨架作用；柔性连接对应低能量、高电阻的区域，它柔软且能承受大变形，用作关节。作者用 60 mA 的电流驱动，样品的方阻为 122 Ω/sq，通电后曲率从 0.007 cm⁻¹ 增到 0.63 cm⁻¹，断电后回到初始状态，这一过程可以重复 100 次而不衰减。把单元拼起来，作者做了三类器件。单触手章鱼臂可以在受限空间里完成前向卷曲收集、末端反射探测与螺旋缠绕提取三个动作；多触手版本对球体、方块、锥体与组合目标实现共形抓取，仿真给出的应力分布与实验形貌一致。爬行机器人分三种：直线爬行的尺蠖式结构靠前后两段的交替吸附与伸展前进；海豹式结构靠前肢的枢轴转向改变方向；第三种把波动爬行与转向解耦，可以在有障碍的场地上走完整条路径。

图文解析

三级设计体系由图1给出。图1左上角是基础级，四张示意图分别对应直弯曲、定向卷曲、刚性支撑与柔性连接，下方用红、橙、褐三种颜色标出高、中、低电阻与温度的对应关系，再往下是一组实物照片，横向与纵向排列的条带在通电后呈现不同的弯曲方式，交叉与星形结构则给出更复杂的形变。图1右上角是组件级，从下往上依次是卡普顿基底、聚酰亚胺前驱体、图案化的石墨烯层与聚二甲基硅氧烷封装，右侧把四种单元拼成一个多模态的电热驱动系统，用橙色的 Power on 与蓝色的 Power off 标出两种状态。图1下半部分是器件级，三张图从左到右分别是章鱼触手、尺蠖式爬行机器人与海豹式爬行机器人，章鱼触手正在抓取一个球体，旁边的小图给出它在受限空间里的工作状态；尺蠖结构用双向箭头标出前后爬行；海豹结构用转向箭头标出全向爬行。三级之间是从单元到组件再到整机的递进关系。

图1.三级设计体系。上部：四种基础运动单元与它们的电阻、温度对应关系。右上：从基底到封装的层叠结构与多模态组件。下部：章鱼触手、尺蠖与海豹三类器件。

激光编程的三种策略由图2展开。图2A 是差异化激光能量，左侧画出离焦与聚焦两种照射方式，光斑大小不同导致能量密度不同；中间一组图像给出不同位置、不同长度、不同数量的高能量区域，红外热像显示这些区域在通电后温度明显更高；右侧的实物照片显示，能量区域的位置决定弯曲从哪里开始、长度决定弯曲段的长度、数量决定可以弯曲几处。图2B 是定向激光刻写，左侧示意扫描方向可以逐点改变，中间的图像用不同角度的条纹表示片层取向，从 −45° 到 90° 共八种；右侧的实物照片显示，同样的条带在通电后会朝不同方向卷曲，有的向上、有的向下、有的扭转，角度与预设一致。图2C 是两者组合，上方给出六组角度组合的示意，下方对应六种形变，可以看到组合之后能得到的形状远超单一策略，例如中间那张图里材料先弯再扭，形成一个立体的钩状结构。三组图共同说明，两个变量正交组合后，可编程的空间被大幅扩展。

图2.激光编程的三种策略。A：差异化激光能量对发热区域位置、长度与数量的控制。B：定向激光刻写对卷曲方向的控制。C：两种策略组合后得到的复杂形变。

章鱼触手的单臂与多臂能力由图3呈现。图3A 是前向卷曲收集，左侧给出触手的展开设计与螺旋状实物，右侧四帧给出初始卷曲、放松贴合、再卷曲与运输的过程，下方的小图显示它把散落的物体卷进螺旋内。图3B 是末端反射探测，左侧是设计的反射结构与实物，右侧五帧给出接近、到位、钩取、抬起与释放的动作序列，可以看到触手末端在狭窄空间里绕过障碍钩住目标。图3C 是螺旋缠绕提取，五帧给出预卷曲、螺旋缠绕、包裹、提取与释放，右侧实物显示它从容器里取出一个方块。图3D 至 3G 是多触手版本，分别针对球体、方块、锥体与组合目标，每一组都给出设计示意、有限元仿真的应力分布与实验照片，仿真与实验的形貌一一对应，说明抓取动作是可预测的。

图3.章鱼式抓取机器人。A：前向卷曲收集。B：末端反射探测与钩取。C：螺旋缠绕提取。D–G：对球体、方块、锥体与组合目标的共形抓取及仿真对比。

爬行机器人的运动能力由图4量化。图4A 是尺蠖式结构，左侧给出蠕动爬行的生物学原型与设计，中间三帧给出单步的运动序列，右侧的轨迹图显示它在 240 s 内前进约 100 mm，反向运动同样可行。图4B 是海豹式结构，前肢的枢轴转向让它在原地改变朝向，右侧的两组轨迹分别对应左转与右转，图中标出每一步的时间。图4C 是把波动爬行与转向解耦的第三种结构，左侧给出起伏爬行的原型，中间三帧给出前进与转向的组合动作，右侧的三维轨迹显示它能在两个方向上独立控制。图4D 是完整的避障演示，左侧是场地的平面图，从入口到出口画出一条曲折路径，路径上标出 1199、1864、2385、3478 与 4302 s 五个时间节点；右侧的三维图把轨迹与旋转角度画在一起，可以看到机器人在每个拐角处的转向角度与时间。

图4.爬行机器人的运动控制。A：尺蠖式直线爬行与轨迹。B：海豹式枢轴转向与轨迹。C：波动与转向解耦的全向爬行。D：障碍场地中的完整避障路径与转向角度记录。

总结

这项工作的核心是把材料的两类属性写进同一张纸里，而不靠拼接。电阻决定哪里发热、发热多少，取向决定哪里刚、哪里柔、朝哪个方向弯，两者都由激光的局部参数决定，因此可以在一个连续的表面上任意分布。四种运动单元不是四种材料，而是同一种材料在参数空间里的四个象限；单元之间的过渡是连续的，没有界面，反复形变不会脱开，这是拼接方案做不到的。60 mA 下曲率从 0.007 增到 0.63 cm⁻¹，响应与温度的升降温同步，说明驱动完全由焦耳热控制，动作的可预测性来自热分布的确定性。这一点很关键：软体机器人过去难以精确控制，往往是因为形变依赖于材料的黏弹性历史，同一输入在不同时刻会给出不同输出；这里把驱动源换成温度场，温度场由电阻分布决定，电阻分布在制造时就固定下来，于是形变就变成了一个可以事先算出来的量，有限元仿真与实验形貌能够对上，正是这个原因。

传统做法是先做出一个能动的结构，再通过控制策略让它完成不同任务；这里是把任务分解成若干运动单元，用激光把单元写进材料，器件做出来时动作已经内嵌。章鱼触手的三种动作、爬行机器人的三种步态，本质上都是单元的不同组合。作者的演示里，同一套工艺做出了能在狭窄空间钩取物体的触手，也做出了能绕开障碍走完全程的爬虫，说明这套编程方式的通用性。需要继续推进的问题包括：长时间通电下的热稳定性与封装可靠性，多单元同时驱动时的功耗与串扰，以及从单件编程走向批量生产时激光路径规划的效率。

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.aeb1989