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项目负责人：李超群
项目成员：俞林锋 刘炎发 胡小品 杨倩
指导老师：常龙飞 胡颖
摘要： 柔性智能材料因其独特的性能以及对传统机械驱动方式的革新，成为科学界的研究热点。离子型电致动聚合物是以离子迁移实现能量转换的柔性智能材料，其驱动电压低（小于10V）、变形大、响应快、柔性好、能耗低且不易疲劳，在柔性机器人领域展现可观的应用前景。本项目以离子型聚合物金属复合材料（IPMC）作为驱动器，融合不同的结构功能，以科普工作为重心，设计出适用于海、陆、空的三种柔性仿生机器人。以柔性机器人作为载体，突出介绍材料的性能特点、变形机理和应用前景，深入浅出地向青少年科普研究材料。本项目旨在促进青少年对该材料的认识，增加青少年对该材料的兴趣，达到推广和发展研究材料的目的。
21世纪以来，随着科学技术的发展，先进材料的开发成为地球可持续发展的一个重要议题。在仿生材料的基础上，智能材料（Intelligent Material）是一种能感知外部刺激，从而做出相应判断和执行的先进材料。此概念一经提出便引起了全世界不同领域的广泛关注。智能材料在受到外部刺激时自身内部的质量进行传递或微观结构发生衍变，从而实现电能或化学能与机械能之间的相互转化，为革新传统机械驱动方式，实现高效化、微小化、集成化复杂装置带来希望。同时，使功能材料和结构材料两大范畴之间的界限逐渐消失，实现结构功能化、功能多样化。因此，智能材料势必成为促进国民经济发展、推动科学技术进步的研究热点。
电致动聚合物（Electro-active Polymer，EAP），俗称“人工肌肉”，是近年发展起来的一种新型柔性智能材料。这类材料在外加电激励作用下可以产生机械响应，同时能在机械变形或者压力作用下产生相应的电能输出。根据换能机制的不同，EAP材料分为离子型（低压驱动型）和电场型（高压驱动型）两种。离子型EAP材料凭借驱动电压低、弯曲变形大、反应迅速、柔韧性好、不易疲劳、可在液体环境运行等不可替代的独特优点，在太空探索、军事探测、生物医学、仿生机械、光学器件等领域展现了广泛的应用前景。最具代表性的有离子聚合物—金属复合材料（Ionic Polymer-Metal Composite，IPMC）、导电聚合物（Conductive Polymer，CP）、巴克凝胶（Bucky Gel，BG）、离子凝胶（Ionic Gel，IG）等。
为了推动该类材料的科普化，提升广大人民群众对离子型EAP材料性能特点的认知水平，本项目提出设计制造基于离子型EAP材料驱动器的柔性仿生机器人原型，如蝴蝶机器人、蠕虫机器人、仿生鱼机器人等，以期科普EAP材料的材料特性及变形机理和柔性仿生机器人技术，促进先进材料的推广和发展，对推动科技进步及国民经济发展均具有重要意义。
项目大致分为三个阶段。
2017年3月至2017年4月为准备阶段，主要工作是文献调查。整理了关于IPMC应用的文献，了解并学习了IPMC相关机器人的尺寸、结构和驱动原理等。
2017年5月至2017年8月为实施阶段。2017年5月至2017年6月，为前期实施阶段，主要开展的研究工作是双边电极型IPMC材料、单边电极型IPMC材料的制备，驱动性能的测试；2017年7月至2017年8月，为中期实施阶段，主要工作是控制电路的设计、制作与稳定性调控。
2017年9月至2017年12月，为后期实施阶段和项目结题验收阶段，主要开展的工作是仿蠕虫机器人、仿蝴蝶机器人、仿生鱼机器人的样机开发及性能测试，项目结题相关材料的准备与撰写。
项目研究内容主要包括前期调研、驱动器制备、控制电路设计、仿生机器人开发四个部分。
前期调研主要是了解该类材料在国内外的相关研究现状，由IPMC材料驱动的仿生机器人已经涉及海、陆、空等领域生物的仿生。其中仿鱼机器人的设计相对比较完善，已经可以实现探测拍照、检测水质等功能。仿蠕虫机器人和扑翼机器人的结构较为简单，控制相对容易，实际应用也较为多样。这种新型的离子型EAP材料在仿生机器人领域展现出了极大的应用前景与发展潜力，在仿生机器人的发展上起着愈加重要的作用，推进了仿生机器人的快速发展。
驱动器制备主要包括驱动器材料制备和驱动性能测试。本项目中制备了两种不同类型的驱动器材料，分别为单边电极型IPMC材料和双边电极型IPMC材料。两种材料在结构上有所不同。双边电极型IPMC材料是一种类三明治的电极层—基体膜层—电极层结构，电极层位于基体膜的两侧，一般可以通过化学镀在基体膜两侧镀覆电极获得。单边电极型IPMC材料是电极层—基体膜层—封装层结构，与前者相比，其起导电作用的电极层由多片电极构成，封装层起防止水分散失的作用，不一定是电极材料。因此，单边电极型IPMC材料不能单独通过化学镀方法得到，需要结合掩膜法/雕刻法。制备得到材料之后，对材料进行电致动性能测试，分别测试两种不同类型的材料在电压信号下的变形情况。
控制电路主要包括系统微控制器、驱动信号生成单元、电压转换单元等几部分。以STC15F2K60S2单片机为系统主控芯片，通过编程输出控制信号给L9110电机驱动芯片，驱动信号根据接收到的控制信号，输出与之相对应的驱动信号，从而驱动IPMC材料运动。整个控制电路采用锂电池经AMS1117稳压模块稳压后供电。经电路原理图绘制、PCB电路板加工、电路板电子元器件焊接、驱动程序烧录等过程，得到满足柔性智能机器人设计要求的控制电路。
仿生机器人开发主要是机器人躯体模型设计和整机安装测试。本项目设计开发了仿蠕虫、仿蝴蝶、仿生鱼三款柔性仿生机器人。通过分析尺蠖的蠕动，简化其运动模型，采用不同结构的IPMC材料作为驱动器，设计蠕虫机器人模型来模拟尺蠖蠕动。仿蝴蝶机器人通过观察分析蝴蝶飞行时的扑翼运动来设计。仿生鱼机器人通过观察分析鱼类在水中的游动来设计，主要考虑尾部驱动器在游动时的作用，来实现机器人在水中的游动。
IPMC材料优化工艺。根据查阅的论文和指导老师的指导，我们制备了Pd-Au电极型IPMC材料。前期采用的Pd电极型IPMC，由于团队对制备工艺掌握不足，输出力和偏转位移等性能较差，严重制约了机器人的运动性能。本次制备的Pd-Au电极型IPMC材料是利用浸泡还原镀在离子膜上镀覆Pd，然后利用电镀在表面沉积Au。制备的IPMC材料性能显著提高，其变形如图1（a）所示。另外，本团队创新地提出了单面电极IPMC，其变形形式为S形如图1（b）所示，为制备机器人提供了更多可能。
图1 IPMC材料通电变形
本项目的主要目的是科普柔性智能材料，提升广大人民群众及科研工作者对离子型电致动材料性能特点的认知水平，从而推动这类新型智能材料在国内的发展。因此我们制作了材料展示箱，用以展示IPMC材料在电压作用下会产生弯曲的性能。
白色底座采用3D打印技术制作，内部装有控制电路及电池；展示箱保护罩是4毫米厚度的亚克力板经裁剪成所需要的尺寸，然后用胶水粘合拼接而成，对内部夹持的材料起到一定的保护作用。支撑柱上的夹子用以夹持IPMC材料，且夹子两侧连有导线，以对材料施加电压信号。控制电路可输出幅值3V频率可调的波形电压信号。
单边电极型蠕动机器人。利用单边电极型IPMC材料在交流电作用下可以反复产生S形变形这一特征，设置了一个倾斜度10度的斜坡环境以供蠕动机器人爬行。对该蠕动机器人施加6V、0.1Hz的方波激励，它可以在10度的斜坡上以11.2毫米/分的速度爬行下坡。
双边电极型蠕动机器人。利用双边电极型IPMC材料在波形电压作用下产生弯曲这一特性，设置倾斜度约为45度的锯齿面供蠕动机器人爬行。如图2所示，该蠕动机器人结构极其简单，仅为一片50毫米×5毫米的IPMC材料，对其施加4V、0.25Hz的方波激励，它可以在锯齿面上以200毫米/分的速度爬行。
图2 双边电极型蠕动机器人爬行
通过对蝴蝶飞行动作的模仿，设计了仿蝴蝶机器人。翅膀尺寸为59毫米×79毫米，在4V周期为3S的波形电压下，蝴蝶翅膀的摆动幅度可达30毫米。
通过对鱼类游动动作的模仿，设计了仿生鱼机器人（见图3），其总体质量为34克，机体尺寸为33毫米×59毫米，尾部IPMC驱动器尺寸为60毫米×7毫米。在3V、0.5Hz的波形电压下，其在水中的游动速度可达504毫米/分。
图3 仿生鱼机器人样机
本项目的研究对象为离子型电致动聚合物，这是一种柔性智能材料，通过利用自身内部的质量传递或微观结构衍变来实现电能或化学能与机械能之间的相互转化。利用该类材料作驱动器是对传机械驱动方式的一种革新，为工业设计实现高效化、微小化、集成化带来了希望。与压电陶瓷、形状记忆合金两种传统的智能材料相比，该类材料也具有响应速度快、质量轻、能耗低、不易疲劳等优点。
在研究方法上，项目团队采用模块化设计方法，将柔性仿生机器人分为驱动器模块、控制模块、机体模块进行设计，最后再进行整机的组装调试。这种设计方法有利于快速查出机器人运行过程出现故障的问题所在，并且方便对故障区域的配件进行更换。
在研究成果方面，本项目设计制作了三款仿生机器人并配备了相应的展示箱，实现了IPMC材料从实验室到科普展台的转变。在展示箱里对仿生机器人进行展示，可使观众直观地看出材料的变形形式。
用直观的表达形式解释枯燥的理论知识是极好的科普方式。IPMC材料的逆压电效应是其变形的理论基础，通过三款迷你机器人有趣的运动，可以直观地表达出来。这种直观的表达方式很容易引发不同知识层次的人的浓厚兴趣和广泛思考，对于科学的普及与促进更是一个互动的良好机会。因为科学既是天马行空的遐想，更是持之以恒的探索求证。
单从材料本身而言，这种新型材料无论是在结构还是变形机理上都与传统材料存在根本区别，相对压电陶瓷、形状记忆合金两种传统智能材料也有许多突出的优点。在科普实践中，将几种材料对比展示，可以使观众对材料的认识程度有所提升，了解材料学科不断发展的过程。该类材料制作的柔性机器人与传统机械结构机器人相比，虽然在输出力度上有所不足，但是前者具有结构简化、功耗显著降低、柔韧性好、不易疲劳等诸多优点，因此在太空探索、生物医学、仿生机械、光学器件等领域具有广泛的应用前景。
IPMC材料特点极为鲜明，前景极为多元。虽然本项目已经成功地开发出了三款简单的小型机器人，不过离实际应用仍有一定距离。相关研究者知道，输出力不足、易失水松弛是IPMC材料的短板特征。我们一直思考是否可以通过引入其他材料来改善其局限性，比如在基体膜增添纤维材料增强强度，使用离子液体取代基体膜的水来改善材料的失水松弛等。从材料的应用方面来看，IPMC材料应该朝小型化、微型化、使用环境特殊化发展。比如使用IPMC材料制作抓持机构质量轻、能耗低、变形大，虽然输出力小，但是在处于失重状态下的航天站则将表现出明显的优势。所以，IPMC材料的改性研究、应用探索都是具有实际意义的。
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