Bistable SMA-driven engine for pulse-jet locomotion in soft aquatic robots

📄 arXiv: 2504.03988v1 📥 PDF

作者: Graziella Bedenik, Antonio Morales, Supun Pieris, Barbara da Silva, John W. Kurelek, Melissa Greeff, Matthew Robertson

分类: cs.RO

发布日期: 2025-04-04

备注: 8 pages, 8 figures, to be published in 8th IEEE-RAS International Conference on Soft Robotics (RoboSoft 2025)

💡 一句话要点

DilBot：基于双稳态SMA驱动的软体水下机器人脉冲喷射推进

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱八：物理动画 (Physics-based Animation)

关键词: 软体机器人 形状记忆合金 水下机器人 脉冲喷射 双稳态机构

📋 核心要点

  1. 现有水下软体机器人推进效率低，尤其是在小型化和复杂运动控制方面存在挑战。
  2. DilBot采用双稳态SMA驱动引擎，模仿箱形水母的推进方式，实现高效的脉冲喷射推进。
  3. 实验结果表明，DilBot能够达到158 mm/s的峰值速度和5.59 N的最大推力，验证了设计的有效性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种受生物启发的软体水下机器人DilBot的设计和实验验证，该机器人使用双稳态形状记忆合金（SMA）驱动的引擎进行脉冲喷射推进。DilBot从箱形水母的高效游泳机制中汲取灵感，将封装在硅绝缘材料中的拮抗SMA弹簧结合起来，以实现高功率推进。创新的双稳态机制通过以受控方式存储和释放能量来实现连续的游泳循环。通过自由游泳实验和力特性测试，我们评估了DilBot的性能，实现了158 mm/s的峰值速度和5.59 N的最大推力。这项工作展示了一种提高水生环境中SMA执行器效率的新方法，并为未来使用机器人群进行水下环境监测的应用提供了一条有希望的途径。

🔬 方法详解

问题定义：现有水下软体机器人通常推进效率较低，尤其是在需要高功率和快速响应的应用中。传统的SMA驱动器在水下环境中的效率也受到限制，因为热传导会导致能量损失。因此，需要一种更高效的推进机制，能够克服这些限制，实现更快的速度和更大的推力。

核心思路：本文的核心思路是利用双稳态SMA驱动引擎，模仿箱形水母的推进方式。通过将SMA弹簧封装在硅绝缘材料中，减少热量损失，并利用双稳态机制存储和释放能量，实现高效的脉冲喷射推进。这种设计允许机器人以离散的、高功率的脉冲推进，而不是连续的、低功率的运动。

技术框架：DilBot的整体架构包括以下几个主要模块：1）双稳态SMA驱动引擎：由两个拮抗的SMA弹簧组成，封装在硅绝缘材料中。2）机器人主体：由柔性材料制成，允许变形和推进。3）控制系统：用于控制SMA弹簧的加热和冷却，从而控制机器人的运动。整个流程是：控制系统控制SMA弹簧的加热，使其变形并存储能量；然后，快速释放能量，产生脉冲喷射，推动机器人前进。

关键创新：最重要的技术创新点是双稳态SMA驱动引擎的设计。与传统的SMA驱动器相比，这种设计能够更有效地利用SMA的能量，并减少热量损失。双稳态机制允许能量的存储和快速释放，从而产生高功率的脉冲喷射。此外，硅绝缘材料的使用进一步提高了能量效率。

关键设计：关键设计包括：1）SMA弹簧的材料选择和几何形状优化，以实现最佳的力学性能和热性能。2）硅绝缘材料的厚度和导热系数的选择，以最大限度地减少热量损失。3）控制系统的设计，以实现精确的加热和冷却控制，从而控制机器人的运动。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，DilBot能够达到158 mm/s的峰值速度和5.59 N的最大推力。这些结果表明，双稳态SMA驱动引擎是一种高效的推进机制，能够克服传统SMA驱动器的限制。与现有水下软体机器人相比，DilBot在速度和推力方面都有显著提升，验证了设计的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于水下环境监测、水下搜救、水下勘探等领域。小型化的软体机器人群可以用于监测水质、检测泄漏、搜寻失踪人员等。此外，该技术还可以应用于生物医学领域，例如开发微型医疗机器人，用于药物输送和微创手术。

📄 摘要（原文）

This paper presents the design and experimental validation of a bio-inspired soft aquatic robot, the DilBot, which uses a bistable shape memory alloy-driven engine for pulse-jet locomotion. Drawing inspiration from the efficient swimming mechanisms of box jellyfish, the DilBot incorporates antagonistic shape memory alloy springs encapsulated in silicone insulation to achieve high-power propulsion. The innovative bistable mechanism allows continuous swimming cycles by storing and releasing energy in a controlled manner. Through free-swimming experiments and force characterization tests, we evaluated the DilBot's performance, achieving a peak speed of 158 mm/s and generating a maximum thrust of 5.59 N. This work demonstrates a novel approach to enhancing the efficiency of shape memory alloy actuators in aquatic environments. It presents a promising pathway for future applications in underwater environmental monitoring using robotic swarms.