CN106564057B - 一种软体机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种软体机器人，包括：由电绝缘材料制成的承载结构(1)、液态金属(2)、溶液(3)、至少一个第一电极(4)和至少一个第二电极(5)，其中：承载结构(1)上设有一个用于放置液态金属(2)和溶液(3)的溶液池以及安置至少一个第一电极(4)和至少一个第二电极(5)的多个孔道；液态金属(2)放置在溶液池的底部，上面填充有溶液(3)；至少一个第一电极(4)连接电源负极，并且浸入液态金属(2)中；至少一个第二电极(5)连接电源正极，并浸入溶液(3)中且与液态金属(2)不接触。本发明实施例通过调节第一电极与第二电极的数量以及位置，通过自身产氢改变液态金属的形状，从而形成不同维度的运动效果。本发明结构简单、无机构转动部件、驱动力强以及性能稳定的效果。

Description

一种软体机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种软体机器人。

背景技术

软体机器人是一种新型的柔韧性机器人，可以模仿自然界中的昆虫或软体生物的运动来实现对人造柔性材料的驱动和控制。这种软体机器人能够钻进人体或者传统机器人难以进入的狭小空间中工作，从而可以用于震后救援或者战场侦察等场合。

哈佛大学和麻省理工学院的研究人员已经研制出依靠空气驱动的软体机器人。然而，这种软体机器人也存在一定的缺陷，它需要外部装置实现空气供给、抽吸与控制，目前还难以投入实际使用。

目前，研究者提出一种全新的软体机器人材料——室温液态金属。室温液态金属是指在室温下呈液体状态的金属(下文简称液态金属)。液态金属具有许多优良的物理性质，例如：热导率高、电导率高、表面张力大、沸点高、蒸发压力与可流动特性极低。液态金属兼具金属的导电能力和液体的流动能力，使得其成为一种理想的软体机器人材料，有望实现复杂环境下的穿梭流动与信息探测、传递功能。

液态金属本身不带静电，将其浸入电解质溶液后，将会在表面反应形成阴离子，并吸引电解质溶液中的阳离子形成均匀的电双层。在外电场的作用下，液态金属表面的阴离子将会重新分布，靠近外电场正极的表面阴离子集中，远离正极的表面阴离子则比较稀疏。液态金属表面电荷的分布不均将会导致液态金属与周围电解质溶液界面的表面张力分布不均，从而产生自身表面的涡流流动以及驱动液态金属向外电场阳极运动的驱动力。利用上述原理有研究者在实验室开发出了驱动液态金属球运动的控制方法，例如，利用电场控制液态金属球定向平移运动、表面涡流运动以及大尺度的铺展和收缩变形等。研究者还发现了液态金属的电化学驱动方法。上述方法利用外部电磁场作用于液态金属，或者利用电化学驱动方法来实现液态金属的运动控制，具有结构简单、能耗低、稳定性高等优点，能够克服结构复杂的传统机构驱动能耗高、容易损坏的不足。

可以看出，上文中对液态金属的控制限制在二维平面内，且由外电场实现驱动故液态金属的驱动力比较弱，无法用该方法驱动液态金属以外的机构实现定向运动。

发明内容

本发明的其中一个目的在于提供一种软体机器人，以解决现有技术中只能在二维平面内控制液态金属且液态金属所产生的驱动力偏弱难以操控液态金属之外的机构实现特定运动的技术问题。

为实现上述发明目的，本发明实施例提供了一种软体机器人，包括：由电绝缘材料制成的承载结构1、液态金属2、溶液3、至少一个第一电极4和至少一个第二电极5，其中：

所述承载结构1上设有一个用于放置液态金属2和溶液3的溶液池以及安置所述至少一个第一电极4和所述至少一个第二电极5的多个孔道；

所述液态金属2放置在所述溶液池的底部，上面填充有所述溶液3；

所述至少一个第一电极4连接电源负极，并且浸入所述液态金属2中；

所述至少一个第二电极5连接电源正极，并浸入所述溶液3中且与所述液态金属2不接触。

可选地，还包括柔性封装膜，所述封装膜设置在所述承载结构1的上表面，用于封装所述液态金属2和所述溶液3。

可选地，所述柔性封装膜由塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、二氧化硅和聚四氟乙烯中的一种或者多种制成。

可选地，所述溶液池的周围设有用于实现与所述溶液池中溶液交换的沟道，该沟道中设有用于安置所述至少一个第二电极5的孔道。

可选地，所述承载结构1由电绝缘材料制成。

可选地，所述电绝缘材料包括玻璃、塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、二氧化硅和聚四氟乙烯中的一种。

可选地，所述液态金属2为镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金和水银中的一种或者多种制成。

可选地，所述至少一个第一电极4和所述至少一个第二电极5由金、银、钛、镍和石墨中的一种或者多种制成。

可选地，所述至少一个第一电极4和所述至少一个第二电极5的数量为M:N；

其中，M、N为正整数。

可选地，还包括多个控制开关，每个控制开关的第一极连接电源正极，第二极连接所述第二电极5。

可选地，所述溶液3为碱性溶液、酸性溶液和盐溶液中的一种。

本发明实施例提供的软体机器人具有以下优点：

1.首次引入液态金属柔性电极在溶液中产氢再借助其驱动自身而实现柔性变形机器的技术思想，可确保超越单纯电润湿作用的强大动力的输出。

2.实现了无机械部件驱动下液态金属在竖直方向的运动控制，进一步拓展了液态金属软体机器的运动维度和灵活度，为液态金属软体机器的研发和设计提供了理论和技术指导。

3.所需驱动电压低，功率消耗小。采用自身电解所产生的氢气进行驱动，简单易行，驱动力强，无机械转动部件，不易损坏，性能稳定。

4.第一电极与第二电极的数量可以灵活设置，例如：M:N，其中，M、N为正整数。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1是本发明的一种软体机器人的结构示意图；

图2是图1的A-A方向软体机器人的剖面示意图。

图3是图2所示软体机器人的驱动效果图；

图4是本发明实施例提供一种圆形承载结构、一个第一电极以及多个第二电极的软体机器人的俯视图；

图5是本发明实施例提供一种矩形承载结构、一个第一电极以及多个第二电极的软体机器人的俯视图；

图6是本发明实施例提供一种矩形承载结构、两个第一电极以及多个第二电极的软体机器人的俯视图；

图7是本发明实施例提供一种矩形承载结构、一个长条形第一电极以及多个第二电极的软体机器人的俯视图；

图8是本发明实施例提供一种矩形承载结构、多个第一电极以及多个第二电极的软体机器人的俯视图；

图9是本发明另一实施例提供的一种具有柔性封装膜的软体机器人的驱动效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1～图3所示，本发明实施例提供了一种软体机器人，包括：电绝缘材料制成的承载结构1、液态金属2、溶液3、至少一个第一电极4和至少一个第二电极5，其中：

承载结构1上设有一个用于放置液态金属2和溶液3的溶液池以及安置至少一个第一电极4和至少一个第二电极5的多个孔道；

液态金属2放置在溶液池的底部，上面填充有溶液3；

至少一个第一电极4连接电源负极，并且浸入液态金属2中；

至少一个第二电极5连接电源正极，并浸入溶液3中且与液态金属2不接触。

本发明实施例提供的一种软体机器人工作原理如下：当液态金属2浸润在溶液3中，在其表面会形成电双层，在没有外部电磁场作用时，此电双层是均匀分布的。当至少一个第一电极4接通电源负极，至少一个第二电极5接通外部电源正极时，在液态金属2和溶液3中便形成了一个电场，液态金属2表面的电双层在外部电磁场作用下会重新分布，从而导致其表面各处的表面张力发生变化，并形成表面张力梯度。在此表面张力梯度的作用下，液态金属2表面张力大的地方会向表面张力小的地方流动。在本发明中，液态金属2的表面会向至少一个第一电极4和至少一个第二电极5之间的部位流动。除了表面流动之外，液态金属2同时充当了电解电极的阴极，至少一个第二电极5为电解电极的阳极。在通电状态下，溶液3将会发生电解，在液态金属2的表面生成氢气。阴极生成的氢气在液态金属2表面流动的带动下汇聚到液态金属2的底部，并将液态金属2局部拱起，使其呈现站立状。改变至少一个第一电极4和至少一个第二电极5的输入电压，可以调整液态金属2拱起的速度和高度，改变电极的位置可以改变拱起的位置，从而实现液态金属朝着逆重力的竖直方向运动。实际应用中，承载结构1需要采用电绝缘材料制成，例如玻璃、塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、二氧化硅和聚四氟乙烯中的一种或者多种。当然，本领域技术人员可以根据该承载结构1电绝缘的特点，根据具体的应用场景选择其他类型的电绝缘材料，本发明不作限定。

实际应用中，在承载结构1设有溶液池，该溶液池用来放置液态金属2和溶液3。该溶液池的形状可以按照承载结构1的形状进行设置，当然也可以单独设置，例如方形、矩形、圆形、椭圆形、环形或其它形状。溶液池中所填充的溶液为电解质溶液，可以为碱性溶液、酸性溶液和盐溶液中的一种。例如：NaOH溶液、NaCl溶液、Na2SO4溶液。本领域技术人员可以根据具体的使用场景选择溶液和设置溶液池的形状，本发明不作限定。

可理解的是，本发明实施例中的多个孔道，用于安置至少一个第一电极4和至少一个第二电极5。根据至少一个第一电极4需要浸入液态金属2中的特点，可知用于安置至少一个第一电极4的孔道需要设置在溶液池内。根据至少一个第二电极5需要浸入溶液3中且与液态金属2不接触的特点，可知用于安置至少一个第二电极5的孔道可以设置在溶液池内，也可以设置在溶液池外；当孔道设置在溶液池内时，需要防止至少一个第二电极5接触到液态金属2，当孔道设置在溶液池外(即设置在承载结构1上面)，此时需要保证第二电极5浸入溶液3中，为此需要在孔道的周围设置用于与溶液池中溶液交换的沟道。上述沟道需要保证溶液3能够在溶液池与沟道内自由流动，并且还防止液态金属2进入其中。该沟道的数量可以为1个，此时至少一个第二电极5全部安置在沟道中；该沟道的数量可以为多个，此时每个第二电极5安置在相对应的孔道中。另外，沟道的形状可以为方形、矩形、圆形、椭圆形、环形或其它形状。本领域技术人员可以根据具体使用场景，设置合适数量与形状的孔道与沟道，本发明不作限定。

实际应用中，上述液态金属2包括低熔点金属或其合金，例如：镓、水银、镓铟合金、镓铟锡合金和铋铟锡合金中的一种或者多种。本领域技术人员还可以选择其他金属或者合金的液态金属，本发明不作限定。

实际应用中，至少一个第一电极4与至少一个第二电极5的数量可以为一个或者多个，两者数量可以为：M:N，其中，M、N为正整数。需要说明的是，M与N是第一电极4与至少一个第二电极5的实际数量，而不是比例值。第一电极4与第二电极5的布置方式可以为1个第一电极4加上1个第二电极5；也可以为1个第一电极4加上多个第二电极5；也可以为多个第一电极4加上多个第二电极5。当然，第一电极4与第二电极5可以设有圆柱状或者长条状，可以用长条状替代多个第一电极4或者多个第二电极5，从而降低制造工艺的难度。

另外，至少一个第一电极4与至少一个第二电极5的材料可以采用金、银、钛、镍和石墨中的一种或者多种。通过控制至少一个第一电极4与至少一个第二电极5的开关状态，从而可以灵活切换以控制液态金属2的运动形态。

实际应用中，液态金属2与溶液3可以置于自由空间中，此时电解过程中所产生的氢气与氧气可以释放到空气中。当然，液态金属2与溶液3也可以进行封装，此时需要在承载结构1的上表面设有封闭膜。该封闭膜可以采用塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、二氧化硅和聚四氟乙烯一种或者多种制成。此时，由于所产生的氢气处于较小的空间中，所产生的动力较大，从而使封装膜形成特定的形状。

实施例1：

图4是本发明的一种圆形结构，并且是一个负电极，多个正电极布置情形的俯视示意图。如图4所示，溶液承载结构体1外形为圆形，且其中的槽道也是圆形。在溶液承载结构体1的中间安放电极4，并保证电极4与液态金属2接触。电极5有多个，环绕在圆形槽道周围，其余组成与实施例(1)相同。

通过多个电极5协调控制，不断切换，可以实现液态金属2的局部拱起并绕着圆形槽道运动。若同时开通多个电极5，还可以实现液态金属2在多处实现拱起运动。

实施例2：

图5是本发明的一种矩形结构，并且是一个负电极，多个正电极布置情形的俯视示意图。溶液承载结构体1外形为矩形，且其中的槽道也是矩形。在溶液承载结构体1的左端安放电极4，并保证电极4与液态金属2接触。电极5有多个，沿着矩形槽道布置，其余组成与实施例(1)相同。

通过多个电极5协调控制，不断切换，可以实现液态金属2的局部拱起并沿着矩形槽道平动。

实施例3：

图6是本发明的一种矩形结构，并且是两个负电极，多个正电极布置情形的俯视示意图。溶液承载结构体1外形为矩形，且其中的槽道也是矩形。在溶液承载结构体1的左右两端均安放电极4，并保证电极4与液态金属2接触。电极5有多个，沿着矩形槽道布置，其余组成与实施例1相同。

通过两个电极4与多个电极5的协调控制，不断切换，可以实现液态金属2的局部拱起并沿着矩形槽道平动和左右往返运动。

实施例4：

图7是本发明的一种矩形结构，并且是一个长条形电极4，多个电极5布置情形的俯视示意图。溶液承载结构体1外形为矩形，且其中的槽道也是矩形。在溶液承载结构体1的槽道中安放长条形电极4，并保证电极4与液态金属2接触。电极5有多个，沿着矩形槽道布置，其余组成与实施例1相同。

通过长条形电极4与多个电极5的协调控制，不断切换，可以实现液态金属2形成条形拱起并沿着矩形槽道平动和左右往返运动。

实施例5：

图8是本发明的一种矩形结构，并且是多个负电极，多个正电极布置情形的俯视示意图。溶液承载结构体1外形为矩形，且其中的槽道也是矩形。在溶液承载结构体1的左端从上到下安放多个电极4，并保证电极4与液态金属2接触。电极5有多个，沿着矩形槽道右边布置，其余组成与实施例(1)相同。

通过多个电极4与多个电极5的协调控制，不断切换，可以实现液态金属2的多处拱起，并实现此起披伏，此消彼长的舞动。

实施例6：

图9是本发明的一种封装结构。与前述实施例不同的是，本实施例中，溶液承载结构体1为塑料、环氧树脂、二氧化硅、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚四氟乙烯材料制作而成的柔性膜，且形成封闭体。所述液态金属及溶液并非置于上端开口空间内，而是封装在溶液承载结构体1中，也就是柔性膜内。当液态金属2在电场作用和氢气的驱动下拱起时，将作用于柔性膜使其实现上下起伏运动，从而形成特定的机器变形行为。如果将本实施例中的电极布置成实施例3中那样，通过控制电极的开关，可以实现封装起来的柔性机器像毛毛虫一样的蠕动。此外，包括上述各实施例在内的各种电极布置方式均可以应用在本封装结构中。根据需要，可以灵活切换电极，实现封装起来的柔性机器的灵活变形和运动。

在本发明的描述中需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种软体机器人，其特征在于，包括：由电绝缘材料制成的承载结构(1)、液态金属(2)、溶液(3)、至少一个第一电极(4)和至少一个第二电极(5)，其中：

所述承载结构(1)上设有一个用于放置液态金属(2)和溶液(3)的溶液池以及安置所述至少一个第一电极(4)和所述至少一个第二电极(5)的多个孔道；

所述液态金属(2)放置在所述溶液池的底部，上面填充有所述溶液(3)；

所述至少一个第一电极(4)连接电源负极，并且浸入所述液态金属(2)中；

所述至少一个第二电极(5)连接电源正极，并浸入所述溶液(3)中且与所述液态金属(2)不接触。

2.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，还包括柔性封装膜，所述封装膜设置在所述承载结构(1)的上表面，用于封装所述液态金属(2)和所述溶液(3)。

3.根据权利要求2所述的软体机器人，其特征在于，所述柔性封装膜由塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、二氧化硅和聚四氟乙烯中的一种或者多种制成。

4.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述溶液池的周围设有用于实现与所述溶液池中溶液(3)交换的沟道，该沟道中设有用于安置所述至少一个第二电极(5)的孔道。

5.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述电绝缘材料包括玻璃、塑料、环氧树脂、聚二甲基硅氧烷、二氧化硅和聚四氟乙烯中的一种。

6.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述液态金属(2)由镓、镓铟合金、镓铟锡合金、铋铟锡合金和水银中的一种或者多种制成。

7.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述至少一个第一电极(4)和所述至少一个第二电极(5)由金、银、钛、镍和石墨中的一种或者多种制成。

8.根据权利要求7所述的软体机器人，其特征在于，所述至少一个第一电极(4)和所述至少一个第二电极(5)的数量为M:N；

其中，M、N为正整数。

9.根据权利要求1～8任意一项所述的软体机器人，其特征在于，还包括多个控制开关，每个控制开关的第一极连接电源正极，第二极连接第二电极(5)。

10.根据权利要求1所述的软体机器人，其特征在于，所述溶液(3)为碱性溶液或酸性溶液中的一种。