機械人成長早期多是由連桿、機電和編碼器等剛性元件組成，相干研討集合正在結構設計、動學、動力學和掌握上。近期，智能資料的絡續打破為機械人的研討拓荒了一條新的途徑。不像鋼鐵等“沒有魂魄”的資料，智能資料具有必然的“性命”，他們會對電、熱、磁、光等外界旌旗燈號的刺激作出相應，進而身領會變形，發生蜿蜒、伸長、扭轉等活動。而且許多智能資料的電阻、電容、磁性和光導效應等正在變形或受到外力時會發作改動，具有天生的傳感才能。將智能資料適用于機械人中，能夠使機械人本體具有必然的智能驅動和傳感才能，正在不需要掌握旌旗燈號的情況下，就能夠自立地活動，使身體“活”起來，而且能夠憑仗傳感“紀錄”自身身體的變形和受到的外界力等信息。
人工智能快遞分揀機器人正在清華大學孫富春傳授的指點和支持下，北京科技大學副傳授郝雨飛和清華大學孫富春傳授團隊方斌等成員合尷尬刁難智能資料和機械人的融合取進步進行了長篇綜述闡明，正在機械工程學報英文版揭曉論文“AReviewofSmartMaterialsfortheBoostofSoftActuators，SoftSensors，andRoboticsApplications”，由驅動和傳感兩個方面對各種智能資料正在機械人中的使用進行了體系地引見。
1、智能驅動
1.1電驅動資料
電驅動質料是正在電場的作用下能夠發生形變的質料。正在電驅動材估中，運用對照遍及和成熟的是介電彈性體（Dielectricelastomer，DE）。如圖1所示，DE一樣平常由兩層柔性電極層和一層介電層構成，介電層夾正在電極層中央。正在沒有電壓的時間，介電層不容易變形。當施加高電壓時，兩個電極層中央的電場會發生麥克斯韋應力，使介電層正在該力的作用下會受壓變形，致使縱向厚度降低，橫向面積擴大，由而將電能轉化為機械能。
圖1DE事情道理
物流分揀機器人上市公司DE的這類電致擴大效應被普遍應用于機械人中作為驅動部件。相比機電等剛性驅動器，DE布局松散，操縱簡樸，經由過程布局設計能夠實現種種差別的活動。比方將圓形DE的外周固定，中心貼上磁鐵。施加電壓后它的面積收縮會興起，斷開電壓后，又會受到磁鐵的吸力規復真相，哄騙這類往復活動能夠制造微流體隔膜泵。限定某一個電極層使它不能夠延展，會使全部DE驅動正在電場力的作用下蜿蜒，進而發生扭捏活動，哄騙這個特性，能夠制造各色各樣的仿生機械人。
機器人智能AIROBOT，Festo#軟體手
1.2熱驅動質料
熱驅動質料是對溫度比力敏感的質料。當根據電流等直接加熱大概紫外光等直接加熱體例把質料加熱到必定溫度后，質料的份子間組成會產生轉變，進而致使彈性模量下落大概變形收縮等。外形影象聚合物（Shapememorypolymer，SMP）便是一種當加熱溫度跨越玻璃轉化溫度后，彈性模量急劇下落的熱響應變剛度質料。它的彈性模量最多能夠下落數百個量級，因而被遍及用正在機械人中來轉變機械人的部分剛度，厚實機械人的構型。使用溫度還能夠對其舉行編程，使其具有必定的外形影象效應。如將SMP布置正在折紙機構的樞紐處，當加熱后，折紙機構會主動由二維平面折疊到三維布局。根據編程SMP，使其加熱后由蜿蜒狀況伸直，能夠驅動自重構機構由二維平面機構重構到三維機構。當編程使其加熱時蜿蜒，還能夠制成微型抓持手，使抓持手正在蜿蜒時包覆并抓取物體，冷卻后因為彈性模量變大，還能夠維持蜿蜒態將物體鎖住。
圖2基于SMP的機器人
1.3磁驅動質料
磁驅動資料多是將磁性粒子混入硅橡膠等軟資料的復合資料。正在磁場的作用下，磁性粒子能夠被磁化，發生有用的磁化曲線，而磁化曲線的標的目的和幅值等也是能夠被改動的。當將磁相應資料制成的驅動器置入磁場中時，空間分布的磁場將和磁性粒子相互作用，使磁性粒子的磁場和空間磁場對齊，進而發生扭矩，致使收縮、伸長和蜿蜒等變形。經由過程改動驅動旌旗燈號、磁化曲線、資料的外形和剛度等，能夠設計出差別變形模態的驅動器。因為磁場能夠穿透大范圍的資料，而且能夠實現無纜驅動，磁性驅動器是正在狹窄空間下功課的抱負挑選，被普遍用正在微型無拴機械人中。機械人智能AIROBOT，2018#清華#并聯機械人#軟體手生果#抓取
如圖3a的仿生微型水母機器人便是接納磁性復合質料作為驅動的，正在外界震動磁場的作用下，驅動器根據不一樣的擺動計謀驅動四周的流體發生不一樣標的目的的活動，由而使機器人能夠上浮、下潛等。根據磁場節制龐雜的磁化曲線，還能夠實現微型機器人正在不一樣的液體和固體地形之間切換的多模態活動，使其正在液體的內部和概況游動，攀爬站臺，正在堅韌的概況上轉動和行走，超出障礙物和正在局促的地道內匍匐等。磁呼應質料的制備最主要的是對磁性粒子的磁化和編程，普通是將復合質料置于磁場中來磁化磁性粒子。更加新鮮的方法是根據3D打印來實現。如圖3c所示，正在打印噴嘴的四周部署固定磁場大概電磁場，當打印帶有鐵磁粒子的復合油墨時，油墨顛末噴嘴時便會磁化磁性粒子，使其沿磁場標的目的部署，根據這類方法能夠打印種種龐雜磁化曲線的機器人，使它們正在磁場的作用下發生種種龐雜的特定活動。根據這類方法打印出來的持續體機器人，尺寸能夠到達亞毫米級別，而且能夠正在磁場的引誘下沿隨意率性標的目的活動，相比線驅的大概氣動的持續體機器人，這類磁驅動機器人不只能夠實現無纜驅動，而且越發機動，是醫療內腔手術等狹窄空間功課的機器人的一個遠景標的目的。
圖3基于磁相應質料的機器人
1.4光驅動資料
取磁驅動雷同，光驅動還具有可長途節制、相應敏捷、微小型化等特性。光驅動資料通常是正在硅膠、液晶彈性體等聚合物中增加對光對照敏感的填充物來構成，正在光照的情況下，它們能夠蜿蜒、收縮或收縮等，而且這一些變形全是可逆的。轉變光的波長、強度和映照時分等都能夠危害這一些驅動器的相應，進而對光驅動機器人編程，使它們實現盼望的活動。光照還能夠激發光化學回響反映，進而給予能量使機器人活動。圖2-10a中的微型馬達便是行使氯氧化鉍（Bismuthoxyiodide，BiOI））作為光催化劑激發的系列氧化和復原回響反映來驅動本體自覺行進的。BiOI能夠被包含藍光和綠光等系列可見光激活。微型馬達由兩個半球構成，一個半球外外觀掩蓋金屬，別的一個半球外外觀掩蓋BiOI，正在可見光映照下，BiOI中的電子被吸引到金屬層，使負電荷正在金屬層集合，而BiOI半球則集合因水被氧化而發生的H+離子。為了均衡金屬半球的負電荷，H+則從BiOI半球遷徙到金屬半球，然后和電子發生復原回響反映。H+的遷徙伴隨著水分子到金屬半球的電滲入滲出，進而推進微型馬達行進。將偶氮苯衍生物渙散紅1丙烯酸酯增加到液晶網格（Liquidcrystalnetwork，LCN）中，構成的聚合物正在水中時內部的水分會正在光熱作用下解吸，構造消溶脹，行使這類道理能夠實現類花朵的構造正在光照的時分主動收攏，無光照時吸取水分溶脹主動綻放。將炭黑摻入SMP中，顛末3D打印打印出的花朵顛末編程后還能夠正在光熱作用下使花朵逢光之后會主動綻放。將光熱單丙烯酸偶氮苯衍生物摻入LCN，它們會吸取特定波長的光，然后顛末異構化作用開釋熱量，開釋的熱量會致使熱收縮。顛末構造節制熱收縮部位，能夠使蜿蜒的構造正在光照下伸直。圖4d便是行使這類道理制造的微型搬用機器人，顛末光照節制腿和手的蜿蜒，機器人能夠實現貨品的抓取、搬運和送達等種種龐大的使命。
圖4基于光呼應質料的機器人
2智能傳感
2.1變阻傳感器
變阻傳感器能夠將外界旌旗燈號轉換成電阻的轉變，憑據電阻的根本公式R=ρL/S（R為電阻，ρ為電阻率，L為電阻的長度，S為電阻的截面積）可得，當電阻的L和S改動時，電阻值還會發作改動。因而變組傳感器的根本原理是將外界變形、受力等信息轉換成L和S的轉變，進而使電阻值發作改動。
為了實現對不一樣旌旗燈號如拉伸變形、法向力和剪切力等的反應，變組傳感器平常須要將不一樣的導電質料設計為不一樣的構造，操縱構造正在刻定力下的刻定變形來反應信息。正在種種導電材估中，液態合金由于其導電性高、液態無定形等刻色被普遍用來制造種種變組傳感器。常用的液態合金質料主要有EGaIn和GaInstan這兩種，它們正在常溫下就能夠出現液態。將液態合金注入到種種微流體腔道中，微流體腔道正在外界刺激下的變形就會致使液態合金電阻的變更，進而反應外界旌旗燈號。如圖5a所示的液態合金變阻傳感器，它有三層腔道構成，下面兩層呈正交的曲折蛇行，正在接受x和y標的目的拉伸時相對應的電阻就會增添，進而能夠檢驗軸向拉伸，上面一層為圓環狀，正在接受法向緊縮時電阻會增添，進而能夠檢驗法向應力。圖5b所示的傳感器構型，正在互相自力的液態合金腔道上面安排一個剛性受力桿，正在不一樣標的目的力的作用下，剛性桿會沿受力標的目的緊縮不一樣的腔道，進而使該腔道的電阻值發生改動，所以該傳感器能夠檢驗不一樣標的目的的力。基于類似的道理，圖5c的傳感器將液態合金腔道互相呈90°圓周安排正在突起的四周，能夠實現檢驗法向力和剪切力等功能。正在法向緊縮時，全部腔道的電阻值皆發生平等的變更，而正在正在剪切力作用下，一個腔道的電阻減小，對立面腔道的電阻增添，不單能夠檢驗檢驗剪切力的巨細，還能夠檢驗力的標的目的。
圖5基于液態合金的變組傳感器
自動分揀機器人央視2.2變容傳感器
變容傳感器是將外界旌旗燈號如變形和壓力等轉換成電容轉變的傳感器。按照檢驗旌旗燈號的不一樣電容傳感器能夠設計為各式各樣的外形，而在機器人運用中較為普遍的是平行板電容器。平行板電容器的構造普通為兩個電極板之間夾一層介電層。按照平行板電容的公式（C為電容，為絕對介電常數，為相對介電常數，S為兩個平行板之間的堆疊面積，d為平行板之間的間隔）可知，當S或d轉變時，平行板的電容還會伴隨著轉變，因而這種傳感器的設計道理是根據被檢驗旌旗燈號轉變S或d，進而轉變電容。
分揀機器人工藝流程操縱平行板電容的道理能夠實現雙方向應變和法向力等單維旌旗燈號的反應。圖6a的傳感器是操縱變容傳感器檢驗應變信息，經過將可延展的導電纖維布粘接正在硅膠介電層的上下面，當拉伸傳感器時，傳感器的面積會提升，中央硅膠介電層的厚度還會減小，進而致使電容提升。正在法向壓力的作用下，平行板電容之間的間隔減小，致使電容提升，因而能夠用來檢驗法向壓力。因為中央介電層的厚度較薄，若是接納實心的硅橡膠作為介電層的話，靈敏度和精度都比較低，因而會正在這類傳感器的介電層中提升良多微構造。取實心構造相比，微構造不單能夠使傳感器正在受到一樣壓力時位移變大，還因為構造正在壓力作用下互相擠壓，提升了等效介電常數，因而大大加了這類傳感器的精度和靈敏度。這一些微構造中，具有代表性的是經過刻蝕硅片加工而成的金字塔構造，單個微構造的尺寸最大僅為6μm。將這類微構造夾正在氧化銦錫涂層的聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜電極中（IndiumtinoxidecoatedPET，ITO/PET），便能夠造成超薄的電容傳感器，然則這類傳感器加工成本較高。還能夠經過正在硅膠中提升造孔劑來造造多孔介電層。如圖6c所示的傳感器，經過正在PDMS中提升直徑能夠小到2μm聚苯乙烯顆粒，等硅膠凝固后，用二甲基甲酰胺將聚苯乙烯顆粒溶掉就能夠獲得勻稱的多孔介電層。這類工藝還能夠用NH4CO3、糖等可氣化或可溶物體來作為造孔劑。經過等離子輪廓處置懲罰預拉伸后PDMS上輪廓，開釋后因為上輪廓和下輪廓規復程度不同，還能夠造成微波紋狀的介電層。
圖6單維電容傳感器
2.3磁性傳感器
磁性傳感器是將外力和變形等信息轉化為磁場變革的傳感器。磁場傳感器一樣平常有兩個重要部分構成：磁性物體和霍爾傳感器。磁性物體一樣平常為永久磁鐵大概帶磁性的軟物質等，受外力大概變形時，它們四周的磁場會相應的改動，而磁場的變革經過霍爾傳感器來開展檢驗。如圖7a的軟體磁性皮膚，將磁性微粒子混合到硅膠中制成薄膜，正在薄膜底面安插能夠檢驗磁場的磁力計，當薄膜受到部分壓力時，相應部位的磁性粒子會彼此擠壓，致使該部位的磁場變革，這個傳感器布局簡樸，可是能夠檢驗持續的部分變形信息。圖7b經過將磁鐵安插正在霍爾傳感器的正上方，正在法向力大概剪切力的作用下，磁鐵靠近大概偏離霍爾傳感器，致使霍爾傳感器檢驗出分歧的磁場變革，由而對力的巨細和標的目的開展反應，這類傳感器能夠被用作機械手的觸力覺反應。哄騙一樣的道理能夠這類傳感器制成陣列安插于機械手的指尖部位，由而將各個點的受力巨細和標的目的映照，取得物體的三維外形等信息。除能夠檢驗力的巨細和標的目的外，磁性傳感器還能夠用來檢驗蜿蜒等變形信息。
圖7磁性力傳感器
2.4光導傳感器
光導傳感器是哄騙光旌旗燈號的變革來檢驗外界力和變形等信息的傳感器。光導傳感器普通由發射端、接受端和流傳介質構成，發射端收回光旌旗燈號，光旌旗燈號顛末流傳介質流傳到接受端，當流傳介質受到外界大概拉伸時會變形，致使光的折射率大概強度發作改動，進而能夠根據接納端接納到的光旌旗燈號來檢驗力和變形等信息。根據流傳介質的設計，能夠使傳感器檢驗差別的旌旗燈號。圖8a的應變傳感器是哄騙管狀模具澆筑PDMS實現的，因為PDMS具有很好的延展性，成型的PDMS波導管能夠打結，還能夠拉伸，當波導管被拉伸時，會因折射率的改動使光旌旗燈號損失，將它安插正在人的喉嚨處時，能夠檢驗人的說話和呼吸等信息。圖8b所示的觸覺傳感陣列是由軟質料突出物陣列、光發射器和成像體系構成，光由發射器照射到軟突出物中，當差別的突出物單位正在外力作用下擠壓變形時，相應一些光的強度會發作變革，這類光強度變革終極根據成像體系映照為應力求。圖8c所示的壓力傳感陣列由光源、力傳感區和成像區三一些構成。力傳感區的每一個單位由一根射入光纖、三根接納光纖和一個示蹤物構成，光由攝取光纖照射到示蹤物外觀，然后折射到接納光纖中，示蹤物固定正在彈性材猜中。當接受外力時，示蹤物的會發作位移，進而使接納光纖的光強度發作改動，根據三角測量道理，能夠獲得外力的巨細和標的目的。圖8d所示的傳感器由LED、可拉伸硅膠波導管和光電二極管構成，LED收回的光顛末波導管后由光電二極管接納，波導管被拉伸后會改動光的折射率，將波導管分布正在氣動軟體驅動器的上、中、下三個一些，能夠根據它們的延長狀況反應手指的變形信息，哄騙這個道理，制成的軟體手能夠根據觸摸物體來區分物體的外形和紋理等信息。
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