生物穿越狭小空间的变形运动机理及其仿生技术研究

To solve the technical problem that soft robots have difficulties in passing through confined spaces of which scales are less than or far less than themselves, this project selects the leech as the bionic prototype to inspire innovative design and manufacture of the leech-like soft robot. The project studies the leech 3D structural feature, muscle morphological parameters and the distribution of soft tissue mechanical properties in vivo to reveal the multi-factor coupling principle of leech organizational structure. In addition, by analyzing the synergy of various factors in the process of leech passing through the confined spaces, such as kinematic response characteristics of external structures, internal muscle morphological parameters, the body fluid dynamic parameters and the distribution of mechanical properties of materials, the project reveals the mechanism of deformation and movement of leech. Based on the above research, the bionic flexible actuator with integrated driving-transmission-deformation will be developed by using high-performance soft materials and multi-material 3D printing. Moreover, the design theory and the key manufacturing technology of the leech-like soft robot will be developed. Then, a kind of leech-like soft robot with good ability to pass through a confined space will be designed, and its motion performance and ability of passing through confined spaces will be tested, debugged and optimized. This project would lay a biomechanics foundation and technical support for the innovative design and manufacture of soft robot passing through confined spaces.

本项目针对软体机器人难以穿越尺度小于或远小于自身尺度的狭小孔洞的技术难题，以水蛭为仿生研究原型，探索仿水蛭软体机器人的创新设计与制造。本项目研究了水蛭三维构形、肌肉形态学参数及在体软组织力学特性分布，揭示水蛭组织结构多因素耦合原理；通过分析水蛭在穿越狭小孔洞过程中，其外部结构的运动学响应特征、内部肌肉形态学参数及体液动力学参数、整体组织材料力学特性分布的协同作用，揭示水蛭变形运动机理；在此基础上，本项目利用高性能软体材料和多材料增材制造技术，研制驱动、传动与变形一体化的仿生柔性驱动器，提出仿水蛭软体机器人的设计理论，开发仿水蛭软体机器人的关键制备技术，研制出一种具备优异狭小孔洞穿越能力的仿水蛭软体机器人，并对机器人的运动性能和通过狭小孔洞的能力进行测试、调试与优化，为穿越狭小空间软体机器人的创新设计与开发提供重要的生物力学理论依据和技术支撑。

软体机器人在管道检测、微创手术、废墟搜救等非结构化、高约束的狭小空间领域具有广阔的应用前景。针对现有软体机器人难以穿越尺度小于或远小于自身尺度的狭小孔洞的技术难题，本项目师法自然，以水蛭为仿生研究原型，进行了仿水蛭软体机器人的创新设计与制造。通过将超声二维成像、剪切波弹性成像、解剖学等多学科技术和方法有机融合，研究了水蛭三维构形、肌肉形态学参数及在体软组织力学特性分布，揭示了水蛭精巧的组织结构、特殊的材料特性分布（“刚柔”耦合特性、“特殊”空间依赖性等）多因素相互耦合作用原理；结合高速相机与超声技术，分析了水蛭在平地爬行和穿越孔洞过程中，其外部结构的运动学响应特征、内部肌肉形态学参数及整体组织材料力学特性分布的协同作用机制，揭示了水蛭变形运动机理；利用高性能软体材料和多材料增材制造技术，研制了仿生柔性驱动器，研究了几何结构对驱动器收缩单元驱动性能的影响规律；提出了仿水蛭软体机器人的设计理论，开发了仿水蛭软体机器人的关键制备技术，研制出了一种具备优异狭小孔洞穿越能力的仿水蛭软体机器人，并对机器人的运动性能和通过狭小孔洞的能力进行测试、调试与优化，为穿越狭小空间软体机器人的创新设计与开发提供重要的生物力学理论依据和技术支撑。