在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航是機(jī)器人技術(shù)面臨的核心挑戰(zhàn)之一，尤其適用于搜救任務(wù)以及復(fù)雜工業(yè)場(chǎng)景中的檢測(cè)與操作。軟體機(jī)器人因其柔順的材料特性，能夠承受可能使剛性系統(tǒng)失效的意外機(jī)械擾動(dòng)，因而在這些任務(wù)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。然而，實(shí)現(xiàn)自主性需要將驅(qū)動(dòng)、傳感、控制等功能單元無(wú)縫集成到軟體結(jié)構(gòu)中，這面臨著復(fù)雜三維幾何形狀、多材料融合以及剛-柔材料間機(jī)械電氣性能不匹配等諸多設(shè)計(jì)制造難題。

近期，上海交通大學(xué)谷國(guó)迎教授、王東長(zhǎng)聘副教授提出了一個(gè)全新的設(shè)計(jì)與制造框架，旨在實(shí)現(xiàn)具有嵌入式驅(qū)動(dòng)與傳感功能的自主軟體機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種集成了數(shù)字光處理（DLP）與直接墨水書寫（DIW）的3D打印技術(shù)，能夠自動(dòng)化地制造具有嵌入式、共形三維電子器件的軟體機(jī)器人。通過結(jié)合晶格超材料、波浪形互連和離散化印制電路板等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)策略，確保了器件在大變形下的機(jī)械與電氣穩(wěn)定性?；谠摷夹g(shù)制造的軟體機(jī)器人集成了多模態(tài)驅(qū)動(dòng)、實(shí)時(shí)觸覺傳感、無(wú)線通信、觸覺-視覺反饋及自主避障功能，為電子器件一體化的自主軟體機(jī)器人發(fā)展開辟了新路徑。相關(guān)論文以“Multimaterial 3D printed soft robots with embedded actuation and sensing”為題，發(fā)表在Science Advances上。

研究團(tuán)隊(duì)首先展示了一套集DLP與DIW于一體的3D打印系統(tǒng)。整個(gè)過程始于使用DLP技術(shù)打印由混合樹脂構(gòu)成的軟體機(jī)器人基體結(jié)構(gòu)，其中預(yù)留了電路通道和電子元件空腔。隨后，打印平臺(tái)旋轉(zhuǎn)180度，將離散化的微型PCB和電子元件嵌入指定位置。接著，通過DIW工藝，將導(dǎo)電硅膠和電阻硅膠分別作為柔性電路和應(yīng)變傳感電路精確注入預(yù)留通道，實(shí)現(xiàn)三維共形布線。最后，平臺(tái)轉(zhuǎn)回，再次通過DLP打印封裝層，完成整個(gè)機(jī)器人的一體化制造。該系統(tǒng)DLP打印的橫向和縱向分辨率分別達(dá)到82微米和50微米，DIW打印硅膠線條寬度可控制在0.3至1.3毫米之間。整個(gè)制造過程僅需約30分鐘，且無(wú)需后續(xù)組裝。

圖1. 自主軟體機(jī)器人的功能與集成3D打印。 （A）軟體機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制、提供觸覺到視覺反饋并自主導(dǎo)航。 （B）使用DLP工藝打印基體結(jié)構(gòu)。 （C）打印平臺(tái)旋轉(zhuǎn)180度，使打印面朝上。 （D）將離散化的PCB和電子元件嵌入軟體結(jié)構(gòu)的指定空間內(nèi)。 （E）DIW工藝沉積導(dǎo)電和電阻電路。 （F）打印平臺(tái)轉(zhuǎn)回，進(jìn)行進(jìn)一步的DLP 3D打印和封裝。 （G）DIW打印中，不同氣壓下打印線寬與打印速度的關(guān)系。 （H）使用K867材料通過DIW制造的線寬約為320微米的晶格結(jié)構(gòu)。比例尺：1毫米。 （I）DLP打印中，打印層厚度與曝光時(shí)間的關(guān)系。 （J）DLP打印的正向與負(fù)向分辨率表征。最小正向分辨率為82微米，最小負(fù)向分辨率（通道直徑）為205微米。比例尺：2毫米。 （K）設(shè)計(jì)不同寬度的空腔以評(píng)估DIW與DLP方法之間的兼容性。比例尺：1毫米。

為確保軟體機(jī)器人內(nèi)部剛性電子元件與柔軟機(jī)體在大變形下協(xié)同工作，研究團(tuán)隊(duì)引入了多項(xiàng)創(chuàng)新設(shè)計(jì)。他們?cè)O(shè)計(jì)了蛇形蜿蜒的導(dǎo)電電路以增強(qiáng)延展性，將PCB離散化成小塊以減小應(yīng)力集中，并利用晶格結(jié)構(gòu)來(lái)吸收沖擊能量。實(shí)驗(yàn)與有限元模擬表明，采用這些設(shè)計(jì)的柔性電路可承受高達(dá)40%的應(yīng)變，嵌入LED的晶格電路在45%的壓縮循環(huán)下仍能穩(wěn)定工作，證明了其在壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲等多種變形下的可靠性。

圖2. 軟硬材料相互作用的設(shè)計(jì)。 （A和B）具有蛇形設(shè)計(jì)的兩層LED電路，可適應(yīng)軟材料的大變形。比例尺：10毫米。 （C）PCB被離散化以減小尺寸和應(yīng)力集中，并使用彎曲電路互連離散化的PCB。比例尺：10毫米。 （D）該設(shè)計(jì)在壓縮、拉伸、扭轉(zhuǎn)和彎曲下均能保持功能。 （E）實(shí)驗(yàn)和有限元模擬的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線顯示該設(shè)計(jì)可承受高達(dá)40%的應(yīng)變。 （F和G）帶有嵌入式LED電路的晶格結(jié)構(gòu)在壓縮下仍保持功能。比例尺：10毫米。 （H）晶格LED電路在整個(gè)循環(huán)測(cè)試中表現(xiàn)可靠。

驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵。該軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器包含兩排三列的“足部”，每個(gè)足部具有不對(duì)稱壁厚的三角形結(jié)構(gòu)，通過施加負(fù)壓可控制其向特定方向彎曲，最大彎曲角度可達(dá)45度。通過對(duì)三個(gè)獨(dú)立氣動(dòng)通道的驅(qū)動(dòng)序列進(jìn)行編程控制，機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等多種運(yùn)動(dòng)模式。

圖3. 軟體驅(qū)動(dòng)器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。 （A）軟體驅(qū)動(dòng)器由兩排三列的足部組成。 （B）每個(gè)足部具有兩側(cè)厚度不同的三角形結(jié)構(gòu)，可在負(fù)壓下實(shí)現(xiàn)彎曲。 （C）不同負(fù)壓下的彎曲形狀實(shí)驗(yàn)快照，以及彎曲角度隨負(fù)壓的變化關(guān)系。 （D）通過獨(dú)立控制三個(gè)氣管的驅(qū)動(dòng)序列，實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （E和F）前進(jìn)和右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)過程中的實(shí)驗(yàn)快照。比例尺：10毫米。

感知能力方面，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種3/4圓環(huán)形的軟體觸覺傳感器。傳感器的外殼由DLP打印，其內(nèi)部的電阻式傳感電路由DIW打印。當(dāng)傳感器不同區(qū)域（左、前、右）受到觸摸時(shí)，其電阻變化會(huì)導(dǎo)致讀取的電壓信號(hào)發(fā)生特定模式的變化。這些信號(hào)通過嵌入式微控制器處理，并通過藍(lán)牙無(wú)線傳輸。為提供直觀反饋，研究人員還設(shè)計(jì)了一個(gè)3D打印的遙控器，其上集成的LED會(huì)根據(jù)觸摸位置點(diǎn)亮不同顏色的燈光（左紅、前綠、右藍(lán)），實(shí)現(xiàn)了觸覺到視覺的實(shí)時(shí)反饋。

圖4. 軟體傳感器的設(shè)計(jì)。 （A）一種3/4圓環(huán)形的軟體傳感器設(shè)計(jì)。 （B）傳感器有四個(gè)引腳連接到MCU模塊，形成一個(gè)由三個(gè)電阻串聯(lián)的簡(jiǎn)化電路。 （C）集成在3D打印遙控器中的LED會(huì)點(diǎn)亮不同顏色以指示觸摸位置：左為紅色，前為綠色，右為藍(lán)色。 （D）不同觸摸位置下U1和U2的電壓讀數(shù)（上圖）和相對(duì)電壓變化（下圖）。 （E至G）分別在30秒內(nèi)對(duì)左、前、右部分施加20個(gè)周期的2毫米變形，以評(píng)估傳感器的可重復(fù)性。比例尺：10毫米。

通過一個(gè)指戴式無(wú)線遙控器，用戶可以直觀地通過手勢(shì)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。遙控器內(nèi)置慣性測(cè)量單元，可檢測(cè)手指的姿態(tài)變化，并將控制信號(hào)發(fā)送給機(jī)器人。與此同時(shí)，機(jī)器人感知到的觸覺信息也能通過藍(lán)牙回傳，在遙控器上以LED燈光顏色變化的形式反饋給操作者，形成雙向交互。

圖5. 遠(yuǎn)程控制與觸覺到視覺反饋。 （A）設(shè)計(jì)為指套的可穿戴遙控器。比例尺：10毫米。 （B）軟體機(jī)器人通過藍(lán)牙將其傳感器數(shù)據(jù)傳回遙控器，提供觸覺到視覺反饋。比例尺：50毫米。 （C）四個(gè)基本手勢(shì)——前進(jìn)、后退、左、右——控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。比例尺：50毫米。 （D）在不同控制手勢(shì)期間，嵌入式IMU記錄的加速度和方向角。紅色高亮部分表示導(dǎo)致遙控器變形的手指彎曲和分開動(dòng)作。 （E）遠(yuǎn)程控制和觸覺到視覺反饋均能正常工作（a）。機(jī)器人經(jīng)歷按壓、拍打和拳擊（b）。變形后軟體機(jī)器人仍保持功能（c）。

最終，集成所有技術(shù)的軟體機(jī)器人展示了其自主導(dǎo)航與避障能力。機(jī)器人內(nèi)部集成了定制微型PCB，其上裝有藍(lán)牙模塊、慣性測(cè)量單元以及三個(gè)用于測(cè)距的飛行時(shí)間傳感器。依靠傳感器感知環(huán)境和內(nèi)置的決策邏輯，機(jī)器人在設(shè)定的迷宮場(chǎng)景中成功實(shí)現(xiàn)了自主路徑規(guī)劃與避障，例如在遇到障礙物時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)向，甚至在死胡同場(chǎng)景中能夠自主倒退并重新尋路。

圖6. 自動(dòng)導(dǎo)航。 （A）控制面板包含一個(gè)帶有藍(lán)牙模塊、IMU和三個(gè)TOF傳感器的定制微型PCB。比例尺：10毫米。 （B和C）不同場(chǎng)景下軟體機(jī)器人的避障邏輯。 （D）在帶有兩個(gè)障礙桿的S形迷宮中自主導(dǎo)航。比例尺：50毫米。 （E）在帶有死胡同的迷宮中自動(dòng)導(dǎo)航。比例尺：50毫米。

這項(xiàng)研究通過集成化多材料3D打印與創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功地將驅(qū)動(dòng)、傳感、電路、通信與電源等單元整體集成于小型軟體機(jī)器人內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)了從制造、設(shè)計(jì)到功能驗(yàn)證的完整閉環(huán)。與傳統(tǒng)的模具鑄造和手工組裝相比，該方法在精度、效率和復(fù)雜結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)能力上具有顯著優(yōu)勢(shì)。盡管當(dāng)前機(jī)器人的尺寸受限于打印幅面，且仍部分依賴外部氣動(dòng)管路，但研究為未來(lái)開發(fā)更靈活、完全無(wú)纜的電子集成軟體機(jī)器人奠定了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。展望未來(lái)，通過采用柔性電路板、集成微型泵或利用相變機(jī)制開發(fā)無(wú)纜驅(qū)動(dòng)等方式，將進(jìn)一步推動(dòng)此類機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境探索、人機(jī)交互等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用。