Electrically-driven phase transition actuators to power soft robot designs

📄 arXiv: 2411.06963v2 📥 PDF

作者: Diogo Fonseca, Pedro Neto

分类: cs.RO

发布日期: 2024-11-11 (更新: 2025-04-25)

期刊: Nat Commun 16, 3920 (2025)

DOI: 10.1038/s41467-025-59023-7

💡 一句话要点

提出基于电驱动相变的软体机器人驱动器，实现低电压、高响应的柔性控制

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 电驱动 相变驱动器 液-气相变 柔性加热元件

📋 核心要点

  1. 传统液-气相变驱动器存在应变速率低和驱动延迟的问题，限制了其在软体机器人领域的应用。
  2. 本文提出一种基于电驱动的液-气相变软体驱动器，利用水和柔性加热元件，实现低电压、高响应的驱动。
  3. 实验结果表明，该驱动器具有较高的应变速率和加压速率，并成功应用于仿生手和四足机器人等软体机器人系统。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种电驱动的液-气相变软体驱动器，该驱动器以水为工作流体，并由线圈型柔性加热元件供电。该设计克服了传统液-气相变驱动器应变速率低和驱动延迟的问题，同时保留了其低电压操作、可控性、可扩展性和易于集成到机器人中的独特优势。实验结果表明，该驱动器可实现超过16%/s的应变速率和100 kPa/s的加压速率，在高达24V的电压下，可实现超过50N的阻塞力。此外，本文还提出了一种工作流体选择方法，可针对特定应用进行优化，以及一种非线性控制方法，可减少寄生振动和控制滞后。最后，通过将该技术集成到软体机器人系统中，包括电缆驱动的仿生手和液-气相变驱动的四足机器人，验证了其有效性。

🔬 方法详解

问题定义：现有电驱动软体驱动器的研究逐渐偏离了液-气相变方法，因为传统上认为这种方法应变速率较低且存在驱动延迟。然而，液-气相变驱动器具有低电压操作、可控性、可扩展性和易于集成到机器人中的独特优势，这些优势未能得到充分利用。因此，需要解决的问题是如何在保留这些优势的同时，提高液-气相变驱动器的应变速率和响应速度。

核心思路：本文的核心思路是利用水作为工作流体，并采用线圈型柔性加热元件进行电加热，从而实现快速的液-气相变。通过优化加热元件的设计和控制策略，可以提高加热效率，缩短相变时间，从而提高驱动器的应变速率和响应速度。此外，通过选择合适的工作流体和采用非线性控制方法，可以进一步优化驱动器的性能。

技术框架：该驱动器的整体架构包括一个包含工作流体（水）的腔体、一个线圈型柔性加热元件和一个控制系统。加热元件负责将电能转化为热能，使水发生相变，产生压力，从而驱动软体结构。控制系统负责调节加热元件的功率，从而控制驱动器的输出力和位移。此外，还包括一个工作流体选择模块，用于根据应用需求选择最佳的工作流体。

关键创新：该论文的关键创新在于：1) 提出了一种基于线圈型柔性加热元件的液-气相变驱动器，该驱动器具有较高的应变速率和响应速度；2) 提出了一种工作流体选择方法，可以根据应用需求优化驱动器的性能；3) 提出了一种非线性控制方法，可以减少寄生振动和控制滞后。与现有方法相比，该驱动器具有更高的性能和更好的可控性。

关键设计：关键设计包括：1) 线圈型柔性加热元件的设计，包括线圈的材料、直径、间距等参数；2) 工作流体的选择，需要考虑其沸点、汽化潜热、粘度等因素；3) 非线性控制器的设计，需要考虑系统的非线性特性和不确定性。此外，还需要优化腔体的形状和尺寸，以提高驱动器的效率。

📊 实验亮点

实验结果表明，该驱动器可实现超过16%/s的应变速率和100 kPa/s的加压速率。在高达24V的电压下，可实现超过50N的阻塞力。与传统液-气相变驱动器相比，该驱动器的应变速率和响应速度显著提高。此外，通过将该技术集成到软体机器人系统中，包括电缆驱动的仿生手和液-气相变驱动的四足机器人，验证了其在实际应用中的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于各种软体机器人领域，例如仿生机器人、医疗机器人、可穿戴设备等。该驱动器具有低电压操作、高响应速度和易于集成的特点，使其非常适合用于需要精确控制和快速响应的应用场景。例如，可以用于开发具有灵巧操作能力的仿生手，或者用于开发可以进行微创手术的医疗机器人。此外，该技术还可以用于开发可穿戴设备，例如外骨骼和辅助设备。

📄 摘要（原文）

In the quest for electrically-driven soft actuators, the focus has shifted away from liquid-gas phase transition, commonly associated with reduced strain rates and actuation delays, in favour of electrostatic and other electrothermal actuation methods. This prevented the technology from capitalizing on its unique characteristics, particularly: low voltage operation, controllability, scalability, and ease of integration into robots. Here, we introduce a liquid-gas phase transition electric soft actuator that uses water as the working fluid and is powered by a coil-type flexible heating element. It achieves strain rates of over 16%/s and pressurization rates of 100 kPa/s. Blocked forces exceeding 50 N were achieved while operating at voltages up to 24 V. We propose a method for selecting working fluids which allows for application-specific optimization, together with a nonlinear control approach that reduces both parasitic vibrations and control lag. We demonstrate the integration of this technology in soft robotic systems, including a cable-driven biomimetic hand and a quadruped robot powered by liquid-gas phase transition.