深圳先進院?|?可變直徑適應的亞厘米級純軟體膠囊機器人（IEEE/ASME）

發布時間：2025-09-02 來源:深圳先進技術研究院

近日，中國科學院深圳先進技術研究院微創中心高興副研究員團隊與運城學院杜陽陽博士在亞厘米級管道/腔道機器人取得重要進展。團隊基于介電彈性體（DEA）開發的電活性球囊外廓僅8mm，結合鞭毛驅動原理創新設計了一款可自適應管道內徑變化的變直徑純軟體膠囊機器人。初代樣機驗證了其整體柔順性可適應S形、小曲率大轉角管路特征，同時實現了1.33倍變直徑入路（12~16mm），滿足Murray's law預測的樹狀管路分岔口的1.26倍直徑變化，在管路內典型的環形臺階障礙也可輕松通過。相關成果以A Single Chamber Minibot With Elastic Hinges for Adapting Various Diameter Pipelines為題，發表在IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS。論文第一作者為運城學院杜陽陽博士，通訊作者為中國科學院深圳先進技術研究院高興副研究員。

傳統電機驅動的管道內爬行機器人解決了大直徑管道內巡檢需求，但無法滿足小直徑管道（≤20mm）。以氣動或智能材料驅動器為驅動單元是實現管道內爬行機器人微小型化的關鍵，但面臨高效率（爬行速度）、長距離與大變徑比（最大適應管徑與最小適應管徑之比）無法兼得的問題。例如，氣動機器人可以實現大變徑比，但由于氣體/管壁摩擦阻尼，遠距離響應遲滯嚴重。DEA驅動的爬行機器人雖然可以實現1BL/s以上的爬行速度，但變徑比僅有1.1，限制了障礙通過能力。

團隊提出了一種DEA與氣動單元結合的高爬行速度、大變徑比且能長距離爬行的亞厘米級管道/腔道機器人。它主體由中心內嵌的卷制型DEA、可變形充氣外膽以及24個彈性鉸鏈鬢毛組成（圖2）。主要亮點如下：

1)?主動調節外廓：利用氣壓控制外膽凸起變形，實現柔性鉸鏈鬢毛傾角的主動變形，實現大變徑比1.33（圖3）。

2）低管徑敏感性：柔性鉸鏈鬢毛旋轉變形替代傳統鬢毛的彎曲變形，降低了鬢毛與管壁之間的法向約束力及相應的正向運動摩擦力。

3）高過障礙能力：利用軸向分布多組鬢毛保持良好的摩擦力各向異性，使機器人可以通過0.6mm的環形臺階。

4）高頻共振驅動：利用卷制型DEA的高頻軸向共振變形（~430Hz），爬行速度最快可達3BL/s，同時規避了氣動驅動的遲滯效應（圖6）。

5）高適用性：在沒有優化鬢毛材質的情況下，機器人有效行程可達4m以上，且能通過金屬管道以及復雜彎曲管道（圖7）。

論文鏈接：https://doi.org/10.1109/TMECH.2025.3587461.