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软体爬行动物的移动：一种针对软体爬行和挖掘机器人的新型模型

Barry A. Trimmer, Ann E. Takesian, Brian M. Sweet Biology Department and

Tufts University Biomimetic Devices Laboratory

Medford, MA 02155, USA barry.trimmer@tufts.edu

Chris B. Rogers, Daniel C. Hake and Daniel J. Rogers Dept. of Mechanical Engineering and

Tufts University Biomimetic Devices Laboratory

Medford, MA 02155, USA

摘要：毛毛虫是一种富有成效的有爬行和掘穴能力的软体动物案例，他们的软体躯体和附足提供了令人惊讶的移动错误容忍度和有效地稳定的被动附着功能。这一篇文章首先描述了一些关于毛毛虫爬行和附着动作的仿生机械内容，然后描述了作者目前的工作—基于毛毛虫的仿生机械和神经控制系统的多功能爬行机器人（飞蛾幼虫）的制造。这种新型机器人可以持续的改变姿态并有能力在有限空间内爬行。最终实现了在有纹理的表面和不平整的物体上攀爬，在线缆上爬行或在绕组中穿行，工作于限定空间。这种类型的机器人有简单、廉价（可一次性使用）、伸缩性好的优点。它们有诸如在紧急情况下搜救、在复杂的环境（例如充满碎石的土壤中）下进行地质勘察等很多应用场合。

关键词：软体机器人，毛毛虫，形状记忆合金，弹性体

part1：介绍：

目前高灵活性的仿生机器人的制作大部分都与构建相应的复杂控制模型相联系。比较有名是文献[1]（著者Hirose）、[2] （著者Burdick和Chirikjian）、 [3]（著者Borenstein）[4]（著者Choset）[5]（著者Millar）中的仿蛇形态机器人的例子。相应的模块设计理念被用于仿生机械的设计的工具和制造水下机器人的基础。

然而，大部分灵活运动的动物都是没有骨骼结构的软体动物。作为替代的它们有着高适应的身体组成材料，可以变化它们的身体僵硬程度，肌肉张力和组织密集度。在对于这些软体动物的研究中，毛毛虫是一个很好的草食爬行动物案例。它们的多足爬行模式与步行式仿真机器人（文献[9][10]中有所提及）和蠕动式机器人有明显区别。毛毛虫有着被动吸附的能力，使它们能安全的在复杂的多分支的路径中运动，拥有多维的工作空间，有弯曲，伸缩和蠕动等具有骨骼形态的机器人没有的功能，还可以利用软体身体，通过改变张力来进入身体尺寸90%大小的裂缝。

目前，关于制造具有变形、弯曲、蠕动特性的软体机器人的尝试还很少。有一些基于蠕动式-蚯蚓蠕动式[文献13-15]、适应性轮动-通过球状体形变进行弹跳和前进[文献16]、弯曲动作原理机器人-基于象鼻拾物[文献17、18]。它们中的每一种都有自己独自的优势，但一般都只适用于特殊场合，没有一个可以在限定的环境下爬行或者完全收缩通过孔洞。

本文的工作是描述了一些毛毛虫移动的机理和目前基于毛毛虫（作者团队的仿生机器人：曼杜卡）的力学和神经控制系统的爬行机器人的相关进展。

曼杜卡是一种分布式控制移动的模块系统

曼杜卡是一个针对学习关于软体动物移动仿生机械分析的优质的模块系统。首先，毛毛虫的工作空间是多维度的；体态可以以硬骨架动物不能的方式弯曲，蠕动和伸缩。其次，这些动作是通过毛毛虫躯体各节的配合完成的，每一节都包括了70块不同的肌肉。第三，哪怕不考虑移动的复杂性和大量的肌肉，每一块肌肉都是被一个（有时是两个）神经元支配，并且他们没有神经抑制单元（应该意思是没有中枢神经进行调配吧）。因此曼杜卡的大部分移动都是被几百个神经元控制，它的移动是利用注入动物肌肉的电极进行操控的。这次研究的最终目的之一是建立一个的简单神经系统去控制控制毛毛虫的自由移动。我们假设控制器控制这些仿生机械的运算速度是足够的。这些假设表明大部分的移动的肌肉合作配合机制和对外部刺激的回应是建立在毛虫体壁、肌肉和软体体腔液压的非线性力学模型上的。并且，曼杜卡的移动与其他绝大多数模块系统有明显区别。它是一个非常优秀的攀爬者，并且能够在复杂的三维空间中移动；可以挖洞（为蛹化做准备）；可以利用自己的肌肉高效的吸附在薄片上。

了解这些毛毛虫的不同动作运作和控制的机理会帮助我们解释仿生动物是如何弹性的协作和适应于它们的控制系统。

part2：毛毛虫的移动

A 移动

一项关于直线蠕行的三维的运动学研究表明毛毛虫并不像蠕虫蠕动那样移动。这种波浪式的移动是从终端节到首端节。并且，在后节和中部节间存在一个明显的运动学上的过渡。最后一节和倒数第二节（A7节）耸起然后向前突出形成起步姿势；然后这两节以尾部的附足的吸附点为作为附着支点旋转，这种运动很像倒着挂立的钟摆。垂直运动超前水平速度30度（一步=360度），对于虫子躯体的中部节水平移动的速度和高度在相位上基本相同（超前或者滞后小于10度）。每一节在初始状态下都是它的最大长度。然后波浪形向前传播，每一节在波浪到来时收缩并再次伸展直到下一个波浪到来前。速度和长度测量装置表明这样的循环收缩的运动方式不是真正的简谐运动（在相位上滞后90度），但是是阻尼的（意味着相位滞后73度 －3.17度，23节，7种类型）并伴随着粘弹性能量的储存和释放。[文献11]

每一节中背部和腹部侧面的部分一个接一个协同的改变长度，表明毛毛虫的耸起和弯曲动作通过折叠节间的膜来完成。不理想的是，每一节的长度和半径是共同变化的，就是说，每一节在最短的时候最窄。因此，不像麻黄的运动方式，每一节的体积在运动时不是守恒的，所以组织，流体，和空气可以在节与节之间流通。

图1：曼杜卡毛毛虫的外部结构

蠕动的力学模型在弧面和在平面运动时没有什么区别。对不同的表面，毛毛虫躯体的一部分在相关同步上和移动的持续时间上有很小的不同。这些轻微的不同可以从大脑发育不全的幼虫中观察到，表明他们正在处理局部的生物力学和自身的感受信息。

B 腹（附）足内收（吸附）

关于三维力学和对附足吸附的神经控制的一项研究表明：伸长和吸附不是相互独立的步骤[文献12]。伸展主要的表现为附足单元间膜的折叠。吸附是源于通过沿横向到中轴线上膜的不对称折叠来均一的旋转附足的行为。这种动作是不能通过使单一附足膨胀来复现的。表现为正常时肌肉提供的被动的压力。与所期望相反的是，昆虫血淋巴（可能类似心脏）中的压力冲击不是导致附足延长的必要条件。在附足基底的压力会在吸附之前减少，在撤销之前增大。因此附足被自身的弹性和基础压力驱动。这种压力改变是由于在内收和撤回循环中控制外体表收缩和放松的肌肉带来的。细胞外神经和肌肉的记忆作用减少了准备表明对单个附足的触觉刺激很强烈并且双侧的激励了运动神经元来控制腹部内侧的一块横向肌肉（VIL），以附足作为基底承重的每一节都有这样一块肌肉。然而在消融、部分神经元测试和肌电图测试实验中表明VIL在幼虫的内收作用中并不是必不可缺的，但是在撤回中是必不可少的，可能与在附足移动时僵直体表的工作有关。PPRM（跗基节主牵引器肌-类似人大腿骨架附近肌肉）肌肉的放松在常规的撤回行为中是必不可少的。这些发现展示了毛毛虫控制附着（附着在一个表面）的方法。这些结果有很深刻的影响，因为它们表明了在形成移动的过程中结构力学的重要性和强调了在软体身体控制中非收缩肌肉的作用。

图2：由附足作为承重的毛虫的一节的侧视图，包括了VIL和PPRM肌肉的大概位置和一个在附足移动时主要肌肉所在位置的三维简图

C体表硬度和腔体液压

对体表的材料测试使用的是定制的测力器，结果表明曼杜卡的表皮薄膜不是简单橡胶制的而是有高度粘弹性的。在各向异性的测试中，比较在身体径向和长度横向的性能。表皮薄膜在各方向上表现出典型的J型（先下降再上升）拉伸曲线（应力与应变），杨氏模量径向的值为，在长度横向的值是 （在p=0.63，n=18的双侧校验中没有明显差别）。同样的在表皮薄膜长度横向和径向的极限应力也没有明显差别（在p=0.18，n=9的测试中），前者的样本值是 ，后者的样本值是 。这些杨氏模量的值表明体表比妊娠蝗虫的腹部表皮软膜更坚硬，但比鸡蛋壳上的膜更柔韧有弹性。

曼杜卡毛毛虫有一个开放循环的系统，没有隔膜或者闸门来避免血淋巴流动，他们的体表也不是坚硬的。在蠕动中，内部压力（在虫子最后一节测量的）在腹部准备开始运动时上升，在头部和胸腔延展恢复原状时下降。然后在同一时间内曼杜卡体内不同位置的压力表明体腔内的血管不是等压的。这表明体内的液体流动收到了限制，局部的压力改变可以使不同部分分开移动。液体流动的障碍可能源自组织几何形状的改变或者体表肌肉的活性。

图3内部的压力在步进中增加和延长（恢复原状）时减少

part3：机器人设计理念

正在研发的机器人是一个外观独特的由高弹性硅胶制成的圆柱体，使用SMA弹簧作为驱动器，直接嵌入体表内。取代在蠕虫状机器人设计中最常用的圆形肌和纵向仿生肌肉，软体机器人有不同组的基于这些肌肉建模的驱动器。未来的模型会有一系列被动抓取和主动释放功能的脚，有能力附着在平面和不规则的物体或者线缆上。虫体会有内部的分层（对应生物学的肠道）用来放置控制系统和辅助设备（比如传感器）。在内部和体表之前的空间能加压传送力量和控制僵直。压力的释放也可以使机器人被压缩成一个可变的体积，这个体积取决于所容纳的辅助设备的体积，这个新型机器人会变得体积高度可控，并且可以很轻松的小型化（生物界中毛毛虫可以扩大10000多个褶皱而不需改变他们的肌肉控制和中枢控制系统）。软体机器人被期望设计为容错的[文献24]（文献写得是机器人肌肉系统的恢复），有很强的移动能力（包括可以改变形状），而且制造起来很简单。

图4 软体机器人在纵向和径向的剖面装置布置图

A驱动器

单匝的SMA弹簧可以通过变相来提供不同的力量。本例采用15oum镍钛合金工作应变为3%，恢复力为3N，当直径1mm时，驱动器可以使半径变为原先的2倍以上，产生0.3N的可重复的工作力（如图5）。这样的SMA弹簧被嵌入体表内，利用它的弹性作为偏向弹簧。（用来使虫子启动抬头）

图5:1mmSMA弹簧带30g负载时的动态响应，以15S为周期，前5S给激励的的响应图

B体表壁

软体机器人的整体躯体是由一种柔性硅胶制成（见图6），可以采取的方式包括使用机器纺织材料。硅胶体表壁是按照毛毛虫的形态进行设计的，材料增稠并且外表独特。可以实施有效地变形，这些材料最终按照毛虫和机器人的建模进行了结构性的优化。

图6 在安装进体表壁之前的硅胶测试材料中的SMA嵌入式弹簧

C抓取器

毛毛虫的觅食抓取装置是利用被动抓取系统（附足）成功实现了的，类似于的尼龙搭扣。一个这种利用环扣零部件搭建毛毛虫的系统的主要优势是可以使抓取力可以迅速被释放而不需要解除解开环扣所需的大的剪切力。

为了测试我们设计的这些抓取勾的性能我们建立了一个如图7的测试装置。包括一对简单的轴套，是针对于张力抓取条件的攀登手设计的，采用激光切割的铸造缩醛树脂，这样的垫子表面附着细沙或者挂钩，可以通过SMA弹簧的收缩解开抓取，使虫子在中轴线上转向。为了测量攀爬能力，两个抓取器通过另外一个镍钛合金弹簧平行的连接，外套一个1.5的不锈钢压力弹簧。在爬行动作中，这个控制机激活弹簧C来释放底部的抓取器。弹簧B然后被激活，把底部的抓取器拉起来。然后弹簧B和C停止工作，弹簧A被激活把顶部的抓取器推上去。

图7：被动抓取机制的测试系统

这样的设计被用于测试爪子自身的最优几何形态，这种钩机式的爪子会通过接在硅胶上来集成到攀爬机器人的设计中

D控制器硬件设计

控制器自身被一个脉冲电流源控制。通过改变频率、工作周期和脉冲持续时间。控制器可以工作于不同的速度，可以产生不同的动力峰值。这一点与运动神经元激活肌肉的机制很相似。目前机器人联机于Labview控制的场外的电源和控制器。最终的目标是去制造一个使用超大规模集成化的电路和柔性PCB技术把这些部件安装在机器人的“肠道”部分，实现去外部依赖化。

E软体装配

目前的原型长40cm，直径5cm，仅包含了12个控制器，控制器安排在两行中体表壁的相对部位（图6和图8）。每一个控制器都可以产生足够的拉力去弯曲或者折叠体表壁。通过轮流激活一对SMA弹簧，产生波浪式的收缩来模拟蠕动动作。体表的张力足够存储弹簧激活前的长度，然而相邻的弹簧可以被激活来加速这个过程[文献25]。初代原型表明SMA弹簧和硅胶可以被紧凑的组合来产生类似肌肉控制的移动。第二代原型目前使用SMA合金用来模仿主要的毛毛虫移动控制肌肉。这一部分会和人工附足装配，来产生最初的软体爬行机器人

图8第一代软体机器人，其中A部分展示了机器人的折叠，B部分是机器人被充气后的样子，三个SMA弹簧驱动器的位置被箭头指出

后面是致谢部分，不再翻译。

ACKNOWLEDGMENT

B.A.T. thanks Dr William Woods and Michael Simon and for helpful discussions and the Tufts BREEM program for support to D.J.R. This work is partially supported by NSF/IBN grant # 0117135 to BAT.

REFERENCES

[1] S. Hirose, Biologically inspired robots : snake-like locom

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