《专业英语》翻译报告

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Intelligent Liquid Integrated Functional Entity: A Basic Way to Innovate Future Advanced

Biomimetic Soft Robotics

智能液体集成功能实体：创新未来仿生软机

器人的基本途径

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2019年 10 月 5 日

摘要

液体是自然生物体内最至关重要的部分，因为液体在帮助胜利功能稳态的调节方面具有非常重要的功能。然而，液体在很多方面都参与着生物行为，比如智力、运动、精力，等等，这些一直都被我们严重忽视，并且直到现在，都没有被公开。在这方面，人们考虑是否液体系统能为智能机器的发展提供关键的线索。从这核心点开始，我们提出一个基本的猜想，给机器人装上液体系统，这就带来实现智能系统的革命性设计，在制造未来先进软机器人中起到了基础性的作用。通过比较人工制造机器和自然动物，我们起草了一个基本的智能液体综合功能实体（I-life）的基本类别，并让他成为可能。然后，我们从五个方面包括运动，能量供应，材料性能转换，传感和智能阐述了这种非常规机器人液体的功能。列出了经典应用的例子。此外，一组智能液体被推荐成为作为发展未来机器人的候选建议。基本科学和技术挑战隐藏于这些建议的背后。最后，I-LIFE生命的发展前景的指出，促进了未来一代创新智能机器人系统的设计。

关键词

仿生机器人；智能液体集成功能实体(I-生命)；智能液体；智能机器；软系统

现代机器人技术是从上个世纪五十年代的制造业中诞生的。经过多半个世纪的快速发展，各种先进的机器人已经有了很显著的成就，

促进了人类文明的辉煌，但这些机器人都是刚性的。这类系统基于使用寿命较长的固体金属材料，而不主张对各种条件的灵活适应，所以都通常采用固定的结构以满足特定的固定功能的目标。通常，机器人的功能越先进，他的结构就会越复杂，就更不用说他的复杂的操作了，这也真真切切的限制了他多工作场合的通用性。长期以来，人们为了丰富机器人的功能一直在付出极大的努力去让他们模仿人类或其他动物的形态。不幸的是，通常机器实现的僵硬的行为模式和动物的运动天赋相比相差甚远，动物基本就是一个软实体。

软体机器人起源于一些典型软体动物的启发，与刚性软体动物有着明显的区别。与那些刚性机器人相比，开发软机器人的任务在于他能明显的模拟动物的先进特性，比如灵活的运动能力，甚至对各种任务都有多功能的特性。为了这个目标，采用低杨氏模量或低变形的材料，如聚二甲基氧烷，电活性聚合物，形状记忆合金，形状记忆聚合物和介电弹性体等，获得了整个机器人结构的大规模变形。驱动策略远远超过传统的主要是电驱动的机械驱动。不寻常的软机器人材料带来了新的方法，比如直接气动，干扰效应，化学燃烧或者气体生成，电场或电诱导运动和磁场，其中的选择是密切相关的材料本身。迄今为止，已经出现了一系列的具有代表性的软机器人，然而距离实际应用还有非常大的一段差距。除了技术上的短板，还深深的需要对机器人有更深刻的认识和更多通用设计的思想。软结构的运动理论、软系统的驱动策略、柔性材料的优化、智能控制等基本问题都是需要深入考虑的问题。

对于传统刚体机器人来说，他们的运动部件通常采用硬质材料制成的固定的形状，因此刚体的运动学足以指导具体的设计。然而，由于弹性材料在仿生机器人中的广泛应用，导致了一种完全不一样的策略，这已经成为当前发展的主流风格。这种软结构通常由功能部件的变形驱动的，这种变形是由于内部压力变化所导致的。压缩气体是一种常见的选择，这种选择已经成功的应用于各种气动执行器中。除了设计和制备方便外，当气体充入腔内时，低密度特性只会引起微小的重量扰动。

在外加剪应力的作用下，连续变形时液体的重要特征。当容器含有自由表面时，液体将与容器运动引起的自由相互作用，从而对系统动力学产生重要影响。因此，对于那些需要平衡的大型容器，液体的存在更加被认为时一个麻烦，很有可能导致不稳定。例如晃动动力学这种课题提出来以应对液体的挑战，其中坦克车辆或飞机坦克的设计时电影的应用案例。然而，然而，对于液体和流量特性而言，质量调节的灵活性可以令人惊讶地使它能够参与平衡控制。调谐液体阻尼器（TED）是一种典型的抗地震或强风引起的摩天大楼的震动设备，它正是由于液体在罐中的晃动而产生的。震动能量通过与边界层的摩擦、自由表面的污染和波浪破碎而消失。TLD的成功应用显示了液体平衡控制的独特优势，比如花费少，反应灵敏，安装后更加易于调整。

图三

液体运动分析及工程应用。A蜘蛛胫骨的通道，在关节运动过程

中提供血淋巴的快速传输。

经许可转载版权1985，斯普林格自然”。(B)节肢动物腿的机械设计，肌肉力量和血淋巴压力都会影响节段的加载情况。经许可转载。版权1985年，斯普林格自然。(C)由血淋巴压力产生的扭矩。版权1985年，斯普林格自然。(D)油箱内液体晃动的三维模拟原理图。版权，2014年，埃尔塞维尔。(E)调谐损伤的机理。f)内耳的原理图，内淋巴液呈黑色，外淋巴液呈白色，颞骨呈灰色。版权2017年，物理研究所出版。(G)内淋巴在平衡状态下的参与机制。版权2012年，约翰威廉&森

在自然界中，敏锐的迅速的注意到周边的变化并迅速做出反应是确保动物在自然界中生存下去的法宝，生理感觉系统主要由视觉、听觉、前庭、体感和味觉子系统组成，这些子系统可以通过多种外部或内部刺激来出发。除了出色的感觉神经细胞的卓越能力外，生物系统的一个不同寻常的特点是，许多活跃的部位分布在全身，比如释放或包裹在人体皮肤中的机械感受器。感觉感受器也是机器人的一个重要组成部分，但是没有必要为机器人建立一个全面的系统来捕捉和动物一样多的信号，这在技术上是不可行的，在这个阶段，检测信息来辅助运动和交互控制对于人造机器人来说是足够的。

水是最常见的液体，它似乎没什么特别的，但这种平常并不影响它参与各种机器人的活动。水作为一种优良的溶剂，它可以转化为各种具有特殊性质的溶液，可进一步用来进行化学反应、导电微粒和材料改性等。水的平稳流动特性使其对动态过程具有足够的名爱心，这

已经被人们获知，并广泛应用于液压机械中。这种特性一定有可能为具有合适设备的软机器人做液压服务，此外，由于水和许多其他物质之间的相互作用机制，因此进行水的液体实验更加的自然方便。水的稳定性也是应用程序耐久性的关键优势。近年来，用于水下软致动器的水凝胶引起了人们的兴趣，其中水在材料的变化中起着至关重要的作用。毕竟，水对于其无处不在的应用程序来说是一个不可缺少的选择，它可以很容易地满足在费用、获取等方面可能有很多用途的需要。它值得得到更多具体的关注。

除了目前离子液体在热点领域的应用外，它也在软机器人领域有很大的发展前景。如前所述，目前软机器人的发展深深的依赖于智能材料的研究突破，而离子液体的功能可设计性正是满足这一要求的。例如，IEPA是一种广泛应用于软机器人的智能材料，它可以通过内部离子或溶剂的电激发传输来实现大变形。IEAP软机器人实际上面临着离子迁移率低和溶剂蒸发的挑战，这对设备的响应性和耐久性都是不利的。然而，可以通过离子液体优化IEAP来进行实验，可能利用高比离子，热稳定性和电化学稳定性。最近，张等人设计了一种采用ILG作为驱动器的柔性机器人，他的应用避免了一些典型的IEAP 的失水缺陷。驱动是通过[bmim]?和[bf4]?在结构内的自由运动来实现的。因此，将合适的离子液体与特定的聚合物结合起来，可以为柔性机器人提供一种有效的电活性材料。

然而，这些典型的公式还是不足以解决这个问题，相当大的不确定性是管道的柔韧性，很简单能想象到软机器人的网管必须具有足够

的弹性，才能适应大范围的变相和运动。因此，管壁容易与流体发生明显的相互作用，这种流固耦合作用机制已经渗透到流变学的范围，这样就使实际情况变得更加复杂。另外，此外，网络是一个不同直径的分支结构，通过分支点的流动将导致速度和壁面剪应力的复杂分布，并可能产生漩涡。总之，复杂网络引起的流变行为或扰动都可以改变实际的行为，大大超出了层流稳态的假设，逐渐增加了参数设计的难度。

人们对于机器人的兴趣已经持续了几千年了，如机械制造和电器控制等技术的长期积累，加速了刚性机器人的蓬勃发展，极大的填补了各种专业化工作场合的需求。然而，我们最终追求的不只是一个特定的冷机械化的设施，而是一个全面的类人体。

智能软机器人的现世为创造用于填补人工复杂结构和自然柔性生物体之间的空白的一条光明的前途，截至目前，这是最接近生物特性的一次尝试。虽然不断的有新型不断地出现，但目前致力于机器人的研究发展都不集中。因此，这些努力发展应该集中一下。基于弹性材料和可变性结构，软机器人必须开发出独特的方法研究，而不是仅仅局限在对于刚性的特性进行修改。建立一个新的指导理论是非常具有挑战性的，但是灵感可以从自然中发现，在仿生学中，人们长期注重那些拓补学结构，然而，我们能从自然中发现的远远比这些多，所以，我们应该多去注意一下那些长期被我们忽视的方面。毕竟，在机器人这个领域，没有什么关键的东西是该被完全确认是可以作为基本的参考原则，创新更应该被发扬光大。

提出这些有关液体的创意并不是对仿生学的滥用，而是一种要求更勇敢的思想去丰富发展对于先进的软机器人的设计愿望。几乎每一种生物内部都有一个流体的环境去进行许多已知和未知的生理功能，但是，由于它与现有的一些设备和工程不互通，所以经常被我们忽略。对于成熟的刚性机器来说，可能不必要去适应，但是仿生软机器人可能会使用到。这篇文中提到的I-LIFE也许提醒了人类对未来发展的一种内在的憧憬，这其中的优越性是丰富的，横跨了多个领域。同时，我们也要认真对待理论和技术方面的挑战。在软机器人发展的初期，寄予希望，各种潜在的想法可能最终都会绽放在这个领域。