在工业和民用设施中，定期的安全检查是确保这些设施正常运行的重要措施。然而，许多设施内部存在难以触及的狭小空间，如毫米甚至亚毫米级的高间隙，这些空间对机器人的尺寸和运动能力提出了极高的要求。传统的轮式、履带式或人形机器人往往难以适应这些环境，因此开发能够在狭小空间内灵活运动的机器人成为当前研究的热点。
近日由英国诺丁汉大学的研究团队开发的一种超薄软体机器人TS-Robot，该机器人不仅能够在固体和液体环境中进行多模态运动，还能在不同介质间自如转换，为狭小空间探索提供了新的解决方案。目前该研究成果已发表在《Nature Communications》杂志，研究人员表示，该机器人具有多模式运动能力，未来有望改变发电厂、桥梁和航空发动机等行业进行检查和维护的方式。
▍TS-Robots超薄软体机器人设计结构
TS-Robot的厚度仅为1.7毫米，采用双驱动夹层结构，配备可调泊松比的张紧机制，由介电弹性体驱动。这种设计使机器人能够展现出两种基本运动模式：平面内线性压缩/伸展和外平面弯曲运动。介电弹性体的高功率密度和灵活性使TS-Robot能够在狭小空间中实现高效移动，同时展现出惊人的输出力和速度。
薄软介电弹性体执行器（TS-DEA）的设计
TS-Robot的核心是其薄型软体介电弹性体驱动器（TS-DEA），该驱动器由两个驱动层组成，每个驱动层包含一层弹性体，夹在两个电极之间，并通过粘合剂层与张紧机制连接。根据应用需求，可选择VHB基或硅胶基弹性体作为驱动层材料。通过同步或差分驱动两个驱动层，TS-DEA能够实现平面内线性压缩/伸展或外平面弯曲运动。
张紧机制的设计是TS-DEA实现多模态运动的关键。通过引入负泊松比或零泊松比结构，张紧机制能够在两个正交方向上调节位移比，从而赋予TS-DEA在不同方向上的运动能力。例如，零泊松比张紧机制在受力时，在两个正交方向上同时伸长，而负泊松比张紧机制则在一个方向上伸长，在另一个方向上收缩。通过调整张紧机制中斜撑的角度，可以方便地调节泊松比，实现机器人的各向异性运动。
三种类型的TS-DEA 的表征结果
为了实现机器人在固体表面上的附着和移动，研究团队还设计了静电吸附垫（EA-Pad）。这些吸附垫利用静电吸附技术，能够在不同材料和取向的表面上产生吸附力，从而确保机器人在爬行、攀爬等运动过程中的稳定性。然而，由于EA-Pad的极化和去极化时间较长（每个周期约100-300毫秒），这限制了机器人的高频操作能力。因此，在低频（1-5Hz）范围内进行驱动是更为实际的选择。
▍实测TS-Robots超薄软体机器人多模态运动能力
TS-Robot在固体表面上的爬行和攀爬能力是其核心功能之一。通过控制TS-DEA的伸缩和EA-Pad的吸附/释放，机器人能够在不同材料和取向的表面上实现高效移动。实验结果显示，在PET表面上，TS-Robot能以高达2.3mm/s的速度在水平面上稳定爬行，而在垂直墙面上，其攀爬速度也能达到1.7mm/s。尤为值得一提的是，TS-Robot能够轻松应对路径上的障碍，如2mm高的间隙，展现出了卓越的环境适应能力。此外，通过设计不同类型的TS-DEA（如Type-A和Type-B），机器人能够在二维方向上灵活转向，有效规避障碍物，实现高效路径规划。
TS-Robots 的运动测试
当面对液体环境时，TS-Robot展现出了其卓越的游泳能力。通过模仿水蛭的波形运动，机器人利用弯曲运动在液体中高效推进。实验数据显示，在硅油环境中，TS-Robot的平均游泳速度可达45.5mm/s，这一速度是其在固体表面上爬行速度的近20倍，充分展示了其在液体环境中的运动优势。更令人印象深刻的是，TS-Robot能够在固体和液体环境间自由转换运动模式，实现从爬行到游泳的无缝过渡。
B型TS机器人的运动测试
为了进一步拓展机器人的运动能力，研究团队还展示了多个TS-Robot协同工作的场景。例如，在狭窄隧道或复杂地形中，多个TS-Robot可以通过彼此间的协同作用，共同克服单一机器人难以应对的障碍。实验中，两个Type-A机器人通过被动铰链连接成“双胞胎”系统，不仅能够同步爬行，还能在遇到障碍时通过团队协作调整方向或提升高度，成功穿越狭窄空间。这种协同爬行策略显著提高了机器人在复杂环境中的通过性和稳定性。
A型TS机器人的游泳和跨域运动测试
除了上述提到的多模态运动能力外，TS-Robot还具备高频运动和快速响应的特性。通过采用硅胶基弹性体作为驱动层材料，并优化驱动信号和控制策略，研究团队成功实现了机器人的高频驱动。实验结果显示，Type-C TS-Robot在共振频率下能够达到极高的移动速度（如43.1mm/s），这一速度不仅远超其爬行速度，也为其在需要快速响应的场景中提供了有力支持。高频运动能力使得TS-Robot能够在紧急情况下迅速完成任务，提高了整体工作效率和安全性。
多个连接TS机器人的运动和操纵测试
TS-Robot的跨域协作能力也是其多模态运动能力的重要体现之一。例如，在需要同时探索固体和液体环境的复合任务中，机器人可以通过在固体表面爬行以接近目标区域，随后转换为游泳模式穿越液体障碍。
A型TS机器人与无人机协作在狭窄空间内实现跨域运动
更为复杂的是，机器人还可以与其他类型的机器人（如无人机）进行协作，共同完成跨域任务。实验中展示了一种名为“Flying-TS-Robot”的混合系统，该系统由一个TS-Robot和一个小型无人机组成。TS-Robot负责在狭小空间内爬行以接近目标位置，而无人机则负责在空中快速穿越开阔区域并将TS-Robot运送至指定地点。这种跨域协作模式不仅提高了任务执行的灵活性和效率，还拓展了机器人的应用范围和使用场景。
▍仅1.7毫米 TS-Robots超薄软体机器人展示出巨大商业潜力
研究人员表示，TS-Robots拥有广泛的商业落地探索空间。由于其采用超薄的设计（厚度仅为1.7毫米），因此TS-Robots此能够轻松进入毫米级甚至亚毫米级的狭窄空间，这是传统机器人难以实现的。此外，TS-Robots采用了双驱动夹层结构和可调泊松比的张力机制，使得机器人能够执行包括直线和波动在内的两种步态，并具有出色的输出力（约为自重的41倍）和速度（达到体长每秒1.16倍和体厚每秒13.06倍），同时，TS-Robots还能通过调整张力机制的刚度来轻松调节其共振频率，并且搭载静电吸附技术，使得TS-Robots能够稳定地附着在各种固体表面上，从而实现在不同地形上的有效移动。
在工业和民用建筑的检查与维护方面，TS-Robots能够进入传统机器人难以触及的狭窄空间，如设备缝隙、管道内部等，执行精确的检查和维修任务，从而大幅提高安全性和效率。在航空航天领域，TS-Robots可以用于飞机发动机等关键部件的内部检查，及时发现并修复潜在问题，保障飞行安全。此外，TS-Robots还能够与其他类型的机器人（如无人机）协作，执行跨域任务，如通过无人机将TS-Robots投放到难以到达的区域，再由TS-Robots执行具体的检查或维护操作。另外在环境监测、灾害救援等领域，TS-Robots的灵活性和多功能性也将发挥重要作用，例如进入受污染区域或废墟中执行检测任务。
▍结语与未来
TS-Robots通过创新性地融合双驱动夹层结构、可调泊松比张力机制与静电吸附技术，TS-Robots不仅实现了超薄设计，还具备了卓越的爬行、攀爬、游泳及协同作业能力。这些优势使其在工业和民用建筑的检查与维护、航空航天部件的内部检测、环境监测以及灾害救援等多个领域展现出广泛的应用前景。随着技术的不断成熟和完善，超薄软体机器人有望成为解决复杂环境下作业难题的关键工具，推动机器人技术向更高层次发展。