隨著科技發(fā)展日新月異，人們對機器人的認知越來越深入，機器人也被廣泛應用于工業(yè)、醫(yī)療、商業(yè)、救援、偵察等領域，如工業(yè)領域的多自由度/多關節(jié)的機械手、救援領域的探險搜救機器人以及用于外科的手術(shù)機器人等。然而，傳統(tǒng)機器人保養(yǎng)費用高、造價高、運動復雜難以控制。此外，在一些新的領域，其特殊的環(huán)境及限制條件使傳統(tǒng)機器人難以滿足要求。近些年來，科研人員將目光投向了軟體機器人一種由智能柔軟材料制造而成的機器人，其具有柔順性、彈性、高階人機交互的安全性等優(yōu)點。軟體機器人一般由柔軟、高彈性的硅橡膠、聚氨酯或水凝膠等高分子復合材料作為其主體材料，可連續(xù)變形，大幅度彎曲、扭轉(zhuǎn)和伸縮。軟體機器人在理論上具有無限的自由度，可以很輕松地完成傳統(tǒng)剛性機器人很難完成甚至無法完成的任務，并且與生物體具有更好的兼容性。
傳統(tǒng)剛性機器人往往采用大量傳感器及控制器對外界信號進行采集，軟體機器人則采用刺激響應性功能材料對光、熱、電、磁等外界刺激進行響應。隨著傳感、驅(qū)動、計算、通信、記憶等功能集成在一起的智能軟體材料的進一步開發(fā)，軟體機器人有望發(fā)揮物理智能潛力，成為探索自然界物理智能的重要載體和平臺。軟體機器人多采用柔性材料加工制作，有著更多的自由度，運動更加靈活，而且可以根據(jù)周圍的環(huán)境改變自身形態(tài)，在很大程度上彌補了傳統(tǒng)剛性機器人的不足。現(xiàn)有的軟體機器人已經(jīng)在移動、醫(yī)療、人機交互等方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢。在未來，如何將材料特性與結(jié)構(gòu)設計配合起來，提高軟體機器人智能傳感等方面需要進一步深入研究。
全書分為9章。第1章主要介紹了軟體機器人的組成、特點、分類以及應用。第2章重點介紹了介電彈性體致動軟體機器人，包括驅(qū)動原理、分類及制備方法、典型的介電彈性體軟體機器人及其應用。第3章介紹了形狀記憶材料致動軟體機器人，并按照形狀記憶聚合物、形狀記憶合金兩種材料分別闡述了致動原理、分類及制備方法、典型致動軟體機器人及其應用。第4章介紹了離子聚合物致動軟體機器人，從分類、致動原理、制備方法等方面進行了描述，并分別闡述了基于離子液凝膠、離子聚合物-金屬復合材料的典型致動軟體機器人。第5章重點介紹了水凝膠致動軟體機器人，按照響應類型將水凝膠致動器分為熱響應致動器、化學響應致動器、光學響應致動器、電響應致動器、磁響應致動器以及液壓響應致動器，最后列舉了多種典型的水凝膠致動軟體機器人及其應用。第6章介紹了電/磁流變體致動軟體機器人，從致動原理、分類及制備方法、應用等方面分別進行闡述。第7章介紹了流體致動軟體機器人，流體致動器包括彈性流體致動器、波紋結(jié)構(gòu)軟體致動器、折疊軟體致動器、纖維約束致動器等，制造方法有澆鑄成型、形狀沉積、軟光刻以及3D 打印等。第8章介紹了折紙機器人，對Miura-ori 等機構(gòu)進行概述，再從驅(qū)動原理、特點、制造方法以及應用等方面分別進行闡述。第9章重點介紹了柔性傳感器技術(shù)，包括柔性傳感器的分類、機理、材料、制備工藝和應用等。
本書是集體智慧的結(jié)晶，除了作者焦志偉、于源、程祥外，課題組的王鵬飛、楊衛(wèi)民、程月、張秀、王皓宇、劉俊豐、吳懷松、金建輝、孫嘉樂、陳薇薇、任金勝、劉兆聯(lián)、劉昊、林昊等人對本書的編寫也作出了貢獻，在此一并表示感謝。
由于軟體機器人技術(shù)在不斷發(fā)展和完善中，對其功能和性能的要求也會越來越高，很多新思想、新技術(shù)在不斷涌現(xiàn)并被引入實際應用中，加之編寫時間有限，書中難免有疏漏和不妥之處，敬請廣大讀者批評指正。
編著者
第1章 概述 001
1.1 軟體機器人的組成002
1.2 軟體機器人的特點003
1.3 軟體機器人的分類006
1.4 軟體機器人的應用007
參考文獻009
第2章 介電彈性體致動軟體機器人 011
2.1 介電彈性體驅(qū)動原理012
2.1.1 介電彈性體變形原理012
2.1.2 介電彈性體驅(qū)動器工作原理013
2.2 介電彈性體分類及制備方法014
2.2.1 硅橡膠及其復合材料015
2.2.2 聚氨酯及其復合材料015
2.2.3 丙烯酸類彈性體015
2.3 典型介電彈性體軟體機器人015
2.3.1 平面爬行機器人016
2.3.2 水下機器人022
2.3.3 飛行機器人025
2.4 介電彈性體軟體機器人的應用026
2.4.1 人工肌肉026
2.4.2 軟體機器人抓手029
2.4.3 航空航天領域的應用030
參考文獻033
第3章 形狀記憶材料致動軟體機器人 036
3.1 形狀記憶聚合物致動軟體機器人036
3.1.1 形狀記憶聚合物的致動原理036
3.1.2 形狀記憶聚合物的分類及制備方法043
3.1.3 典型形狀記憶聚合物致動軟體機器人046
3.1.4 形狀記憶聚合物在多領域的應用049
3.2 形狀記憶合金致動軟體機器人053
3.2.1 形狀記憶合金的分類及制備方法054
3.2.2 形狀記憶合金的致動原理056
3.2.3 典型形狀記憶合金致動軟體機器人及其應用056
參考文獻061
第4章 離子聚合物致動軟體機器人 066
4.1 離子聚合物分類及致動原理066
4.1.1 離子聚合物分類066
4.1.2 離子液凝膠致動原理067
4.1.3 離子聚合物-金屬復合材料致動原理068
4.2 離子聚合物致動器制備方法069
4.2.1 離子液凝膠致動器制備方法069
4.2.2 離子聚合物-金屬復合材料致動器制備方法071
4.3 典型離子聚合物致動軟體機器人073
4.3.1 離子液凝膠致動軟體機器人073
4.3.2 離子聚合物-金屬復合材料致動軟體機器人075
參考文獻078
第5章 水凝膠致動軟體機器人 080
5.1 水凝膠與軟體機器人080
5.1.1 水凝膠簡介080
5.1.2 水凝膠基軟體機器人簡介080
5.2 水凝膠致動器的分類081
5.2.1 熱響應致動器081
5.2.2 化學響應致動器082
5.2.3 光學響應致動器083
5.2.4 電響應致動器084
5.2.5 磁響應致動器085
5.2.6 液壓響應致動器085
5.3 典型水凝膠致動軟體機器人及其應用086
5.3.1 無約束毫米級軟體機器人086
5.3.2 受含羞草啟發(fā)的雙層水凝膠致動器087
5.3.3 電輔助離子印刷水凝膠090
5.3.4 由天然多糖構(gòu)建的雙層水凝膠致動器095
5.3.5 DNA 序列響應水凝膠096
5.3.6 一種能實現(xiàn)蚯蚓狀定向蠕動爬行的各向異性水凝膠執(zhí)行器098
5.3.7 液壓響應致動器和機器人099
參考文獻102
第6章 電/磁流變體致動軟體機器人 104
6.1 電/磁流變體的致動原理105
6.1.1 電流變體的致動原理105
6.1.2 磁流變體的致動原理108
6.2 電/磁流變體的分類及制備方法108
6.2.1 電流變體108
6.2.2 磁流變體112
6.3 電/磁流變體致動軟體機器人及其應用118
6.3.1 典型電/磁流變體致動軟體機器人118
6.3.2 電/磁流變體致動軟體機器人的應用123
參考文獻125
第7章 流體致動軟體機器人 128
7.1 流體致動器及其特點129
7.1.1 流體致動器工作原理129
7.1.2 流體致動器的特點129
7.2 流體致動器的分類129
7.2.1 彈性流體致動器129
7.2.2 波紋結(jié)構(gòu)軟體致動器131
7.2.3 折疊軟體致動器133
7.2.4 纖維約束致動器135
7.3 介質(zhì)材料138
7.3.1 現(xiàn)有材料138
7.3.2 新材料139
7.4 流體致動器的制造方法139
7.4.1 澆鑄成型140
7.4.2 形狀沉積141
7.4.3 軟光刻141
7.4.4 3D 打印142
7.5 應用領域145
7.5.1 特種作業(yè)145
7.5.2 抓持作業(yè)146
7.5.3 醫(yī)療康復147
參考文獻148
第8章 折紙機器人 151
8.1 折紙概述151
8.1.1 Miura-ori 機構(gòu)152
8.1.2 Ron Resch 機構(gòu)152
8.1.3 Waterbomb 機構(gòu)153
8.1.4 Square-Twist 機構(gòu)153
8.2 折紙機器人的驅(qū)動原理和特點154
8.2.1 非功能材料驅(qū)動154
8.2.2 形狀記憶聚合物驅(qū)動155
8.2.3 形狀記憶合金驅(qū)動157
8.2.4 磁驅(qū)動158
8.3 制造方法161
8.3.1 澆鑄成型161
8.3.2 3D 打印成型161
8.3.3 激光刀數(shù)字化切割材料成型163
8.4 典型的折紙機器人164
參考文獻167
第9章 柔性傳感器技術(shù) 170
9.1 柔性傳感器簡介170
9.2 柔性傳感器的分類及傳感機理171
9.2.1 柔性應變傳感器171
9.2.2 柔性壓力傳感器174
9.2.3 柔性溫度傳感器175
9.2.4 柔性化學傳感器177
9.3 柔性傳感器材料178
9.3.1 基底材料179
9.3.2 傳感層及電極材料181
9.4 柔性傳感器制備工藝183
9.4.1 光刻工藝184
9.4.2 表面沉積技術(shù)184
9.4.3 印刷工藝185
9.5 柔性傳感器的典型應用187
9.5.1 軟體機器人188
9.5.2 健康監(jiān)測189
9.5.3 虛擬現(xiàn)實與人機交互190
參考文獻192
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