《Advanced Robotics Research》：Bioinspired Soft-Skeleton Robotics With Cooperative Shape Transformation and Stiffness Adaptation
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本文提出了一種受生物“骨-肌”結構啟發的軟骨架機器人，通過將可變剛度鏈狀骨架嵌入柔軟織物中，實現充氣驅動下的協同形變與剛度自適應。該設計克服了傳統軟機器人負載能力不足的局限，在保持高度柔順性的同時，輸出力提升了200%以上，為高性能軟體機器人提供了一種集成化新思路。
引言：軟體機器人的挑戰與生物啟發
軟體機器人因其固有的柔順性、安全的人機交互能力以及對復雜環境的適應性，在工業操作、海洋探索、醫療可穿戴設備和遠程檢測等領域展現出巨大潛力。然而，其材料固有的柔軟性也限制了負載能力。現有的可變剛度策略（如真空阻塞）通常需要復雜的獨立調諧模塊組合，且常依賴真空驅動，導致設計笨重且性能受限。
自然界生物系統通過骨骼、肌肉和柔性皮膚的巧妙整合，實現了以低能耗獲得高輸出力，這為在軟體機器人中融合剛性支撐與柔順驅動提供了 compelling 的靈感。基于此，本文開發了一種仿生軟骨架機器人，其特征是協調的氣動驅動和主動可調的剛度。
軟骨架機器人的概念與設計
該機器人的設計理念源自生物體剛柔并濟的 hybrid 結構。它不同于離散剛性單元的堆疊，而是提出了一種 hybrid、連續可變的架構。該系統將柔軟紡織品“皮膚”和可變剛度鏈狀“骨架”集成在一個統一的氣動體內。通過正壓充氣過程，同時誘導紡織品皮膚的預編程形變和鏈狀骨架的幾何自約束（具體而言，是通過內部氣壓實現 active geometric interlocking 狀態），從而實現同步的形狀變形和剛度增強。
在這種機制下，實現了高效的功能耦合：由低彈性聚酯（PET）紗線和彈性氨綸紗線組合編織而成的柔軟織物皮膚層，通過抑制徑向擴張并促進軸向延伸來優化能量轉換。同時，嵌入的自約束鏈狀骨架利用扭轉幾何互鎖機制，建立了內在的剛度-曲率耦合。隨著彎曲變形增大，骨架單元間的幾何約束逐步增強。這種獨特機制使得結構能夠形成一種 reinforced 的承重支撐，既能抵抗彎曲和拉伸，又能保留軟材料的固有柔順性，最終將輸出力提升超過200%。這種基于正壓驅動和變形誘導自約束單元的 cooperative 機制，為在單個軟體結構中實現高性能驅動和自適應剛度提供了新途徑。
各向異性針織織物的制備與表征
為克服傳統針織致動器在能量效率和運動控制上的局限，研究采用了氨綸皮芯紗和PET紗線，利用雙針床（v-bed）針織機構建了一種帶有襯墊紗線的三層針織結構。其中，氨綸紗形成基本的緯平針線圈，而PET紗作為襯墊（laying-in）紗線，通過橫列嵌入編織與線圈交織，以限制徑向擴張并增強軸向伸長，從而形成具有各向異性機械性能的三層針織結構。
力學測試表明，該織物在縱行（wale）方向表現出優異的彈性，而在橫列（course）方向應變有限（僅為縱行方向的0.13倍）。橫列方向的楊氏模量超過縱行方向（1.2 MPa）60倍以上。這種各向異性使得針織皮膚致動器在承受氣動輸入時，襯墊紗線的約束作用能將更多氣動能引導至軸向彎曲變形，從而提升致動效率和輸出力。與無襯墊紗線的致動器相比，引入襯墊紗線后，最大彎曲角度超過前者兩倍，最大阻塞力（blocking force）提升了三倍以上。此外，PhabrOmeter系統評估表明，該織物層具有優異的柔軟度與平滑度，為舒適可穿戴應用奠定了基礎。
可變剛度鏈狀骨架的性能
鏈狀骨架由幾何自約束的 knot 單元組成，具有松馳（loose）和互鎖（interlocked）兩種剛度狀態。在自由松馳狀態下，鏈狀骨架展現出高柔性，可折疊、懸掛和卷曲，對軟體機器人的形變影響極小。施加扭轉后，單元自動嵌套在一起鎖定鏈狀結構，接觸模式從點接觸轉變為大面積的均勻面接觸。這種由 retaining-groove 輪廓產生的約束效應，宏觀上表現為整體剛度的大幅提升。
測試表明，互鎖狀態下的鏈狀骨架在5 mm撓度下承載能力接近5 N，而松馳狀態下則低于1 N。其自鎖效應與扭轉程度正相關，且鏈單元的長寬比越小，越有利于形成穩定充分的面接觸，自鎖效果和結構剛度提升越顯著。互鎖鏈可支撐超過自重（5.6 g）9倍的重量（50 g）。
軟骨架機器人的性能與應用
軟骨架機器人主要由柔軟織物外殼和可變剛度鏈狀內骨架構成。內部鏈狀骨架在松弛狀態下因多單元互鎖而具有高度自由度，保持了靈活性。充氣時，機器人典型的螺旋運動驅動鏈條扭轉，產生扭轉自約束，從而增強骨架剛度。這意味著機器人利用集成架構，同時實現了程序化的驅動變形和剛度變化。
實驗表明，有無骨架的軟體機器人在相同氣壓下能達到相似的彎曲角度（70 kPa下超過500°）。這同樣得益于針織結構中嵌入的PET紗線，它抑制了機器人的徑向擴張變形（ΔR），同時保持了針織織物互鎖線圈結構在縱向的彈性，從而以較小的體積變化實現顯著的驅動行程，減少了能量耗散。
通過測量阻塞力來量化負載性能。在60 kPa氣壓下，軟骨架機器人的最大輸出力比無骨架軟體機器人提高了5.56 N，提升超過200%，是其自身重量（≈30 g）的36倍。在70 kPa下，從抓握狀態拉出物體所需的最大拉出力（pulling-out force）是無骨架版本的兩倍多，證實了其在實際抓取任務中的穩定性與可靠性。經過50次驅動循環，機器人表現出穩定的變形行為和可靠的恢復能力。與已報道的紡織品致動器相比，軟骨架機器人在單位氣壓下的輸出力和彎曲角度均表現出優勢，實現了驅動與剛度適應的協調。
該軟骨架機器人系統通過鏈條的扭轉自約束機制實現可控的剛度調節。隨著致動器彎曲角度增大，鏈條扭轉程度相應增加，自約束效應更顯著，從而增強整體結構剛度，實現連續可控的可變剛度行為。應用演示中，增強后的軟骨架機器人成功抓取了不同質量的實際物體，如裝有水的塑料杯（280 g和245 g）和120 g的玻璃花瓶，且未造成損壞，展示了其 versatile 的操作能力。
結論與展望
本文提出的仿生軟骨架機器人，通過將各向異性針織織物和可變剛度鏈狀骨架集成到軟體機器人系統中，在形變時使鏈狀骨架發生幾何自約束，在形態變化過程中從軟態轉變為剛態，從而在不犧牲驅動變形能力的前提下增強輸出力。這為解決軟體機器人領域柔順性與剛性之間權衡問題提供了一種簡單、集成的設計策略，使軟體機器人抓手能夠同時處理脆弱和重型物體，拓展了下一代軟體機器人的應用潛力。此外，盡管本研究主要關注軟骨架機器人的可變剛度設計，但也突出了快速發展的針織增材制造技術的獨特優勢。該技術可通過精確控制針織結構的空間排列來實現復雜的可編程變形行為，為后續研究開辟了新方向，有望進一步擴展軟體機器人在醫療康復、柔性抓取和醫療可穿戴設備等領域的應用潛力。
材料與方法
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針織層制備：使用雙針床針織機，以氨綸皮芯紗為線圈紗，PET紗為襯墊紗進行編織。
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內骨架制備：鏈單元使用聚乳酸（PLA） filament 通過商用3D打印機制備。
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軟骨架機器人致動器裝配：將針織織物裁切并縫合成管狀，內部插入硅膠氣囊，將打印的鏈狀骨架與封蓋組裝后置入織物外殼并密封。
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表征：使用電子萬能試驗機測試織物拉伸性能和機器人的阻塞力；使用PhabrOmeter系統評估織物手感。
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有限元模擬：使用Abaqus軟件對鏈單元進行固體有限元模擬。
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統計分析：定量數據以均值±標準差表示，基于至少三次重復實驗。
