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北理工研发爆炸驱动的软体变色龙舌头，成功验证新型动力学模型

百家 作者：大数据文摘 2023-03-13 18:05:21

大数据文摘授权转载自机器人大讲堂


作为日本漫画《火影忍者》中“晓”的成员之一，迪达拉可以轻松控制黏土发生爆炸。而在现实科研界中，由于实验室人员于操作和保存不当而使得化学物品发生爆炸的事件层出不穷，爆炸带来的强大冲击力给人员和设备带来了极大的损伤和破坏。


漫画《火影忍者》迪达拉控制黏土发生爆炸

同时，爆炸也可以作为驱动器产生一些好的作用。近日，北京理工大学的研究人员成功控制 180 mg的丁烷发生爆炸，产生的驱动力使得机器人沿轴向产生了41 mm位移，相关研究以Design of a fuel explosion-based chameleon-like soft robot aided by the comprehensive dynamic model为题发表在中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊Cyborg and Bionic Systems上。

丁烷分子式及其分子结构

相比于形状记忆合金和气动驱动的方式，基于爆炸类型的驱动器通过控制驱动器输出驱动力（燃料配比），可以灵活调节输出力和输出位移量。而且这类驱动器结构简单，往往只需要一个燃烧反应腔，无需复杂的传动机构、储能机构和能量释放触发机构，有利于简化驱动器。

爆炸驱动的软体变色龙舌头

在该项工作当中，研究人员对变色龙的舌头进行了仿生设计。具体来说，通过控制燃料爆炸产生驱动力，实现软体变色龙舌头沿轴向伸长和收缩运动。

燃料为丁烷，丁烷作为无色气体，熔点仅为-138℃，易燃易爆。变色龙在捕食时，舌头最大变形长度可达其自然长度下的10倍之多。

变色龙的捕食过程

研究人员指出，用爆炸产生驱动力还需要配比一定的空气和燃料。针对于此，他们采用超弹性材料设计了一种类似手风琴的结构来实现变色龙舌头的轴向变形。这种结构还搭配了空气和燃料入口，设计了对应的燃烧反应腔以提供燃料爆炸的环境，如图2和图3所示。

图2. 实现伸长和收缩的变色龙舌头设计

图3. 仿软体变色龙舌头的结构

图4. 仿软体变色龙舌头实现伸长时的工作原理

工作原理和控制过程如图5所示：当空气和燃料进行混合之后；点火产生的爆炸驱动力使得变色龙机器人伸长，如果要实现收缩，则需要气泵将腔室中的空气抽出，仿软体变色龙舌头才可以恢复到初始长度。

图5 仿软体变色龙舌头工作流程及控制逻辑

高精度模型的建立

因为爆炸过程与能量转换过程极其复杂，相关建模鲜有提出。为了更加准确地预测爆炸所带来能量的多少，以及评估变色龙舌头机器人的变形程度，研究人员提出了一种新型动力学模型，建模过程如下所示。

图6.基于爆炸的仿软体变色龙舌头整体动力学模型建立流程图

图7. 燃烧模型

图8. 基于爆炸驱动的仿软体变色龙舌头弹性变形模型

光有理论还不够，在搭建了仿软体变色龙舌头的爆炸模型和变形模型后，为了进一步验证设计的可行性，研究人员使用硅橡胶作为舌头的制造材料，并且对仿软体变色龙舌头进行了实验测试。

图9.仿软体变色龙舌头的制造过程

一个很重要的问题是——爆炸的范围有多大？这种爆炸安全吗？

图10. 仿软体变色龙舌头的实验装置示意图

针对于这个问题，研究人员指出这取决于燃料和空气的配比，如果配比太低（燃料相对较少），就无法产生爆炸的效果。而为了安全起见，根据理论计算和所用材料的强度极限，研究人员限定了配比上限，因此燃料的质量设定在59 mg和179 mg的安全区间内，如图12 所示。

图11. 燃烧反应腔的爆炸范围

为了更好地展现和理解爆炸过程，研究人员使用高速相机记录了反应的过程，如图13所示。可以看到，前期的空气充足，燃料完全燃烧，火焰呈蓝色；而随着燃烧的进行，空气逐渐减少，燃料由于燃烧不充分呈现黄色（第34ms）。

图12. 燃烧反应腔的爆炸火焰变化

极限伸长的位移有多少？在实验中，当添加180 mg的燃料时，仿软体变色龙舌头的伸长可达41 mm。

图13. 仿软体变色龙舌头的位移测量

此外，因为燃料的质量对于仿软体变色龙舌头的位移有决定性作用，研究人员使用了不同质量的燃料，并对位移进行了记录。从下图实验结果可以看出，仿软体变色龙舌头位移随着燃料质量的增加而增加。从右图还可以看出，仿真结果与实验结果十分接近，也验证了所提出的理论模型可以很好地预测爆炸所产生的效果。

图14. 不同燃料质量下变色龙类软体机器人位移理论与实验结果对比

结语

研究人员设计了一种爆炸驱动的软体变色龙舌头，并通过一系列实验测试了其产生的位移，成功验证了提出的动力学模型。但还有一些关键问题亟需解决，如：1.需要充分研究反应腔内最小点火能、浓度及空腔内温度的整体关系；2.研究空气和燃料混合的分散规律，以更好地提高爆炸驱动的效率以及提升驱动器性能。

论文地址：

https://spj.science.org/doi/10.34133/cbsystems.0010



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