本文发表于 *Advanced Intelligent Systems*，DOI 为 10.1002/aisy.202200085，于 2022 年 6 月 26 日在线发表。研究由 Boston University 机械工程系及生物医学工程系、Inria 等单位的研究人员合作完成，主要作者包括 Jacob Rogatinsky、Kiran Gomatam、Zi Heng Lim、Megan Lee、Lorenzo Kinnicutt、Christian Duriez、Perry Thomson、Kevin McDonald 和 Tommaso Ranzani。其中 Tommaso Ranzani 为通讯作者，来自 Boston University。
本文属于单一原创研究，报告了一种可折叠软体执行器（collapsible soft actuator）的设计、制造、建模与表征方法，并展示了其在受限环境中的多种功能。研究的核心对象是层叠气球执行器（stacked balloon actuator，SBA）。这种执行器由多层二维聚合物薄膜经热压键合而成，在不充气时几乎完全扁平，充气后则能产生大幅度的几何变形，因此特别适合需要在狭小空间中通过并执行灵巧任务的场景，例如微创手术、搜救和复杂环境探索。
从研究背景来看，传统刚性机器人在非结构化环境中存在局限性，而软体机器人由于能够被动适应外界形状，具备良好的安全性和适应性。然而，现有的软体机器人架构往往难以同时实现通过小孔径进入大工作空间、借助外部结构形成临时固定约束以及重构周围环境以创造工作空间这三项核心功能。流体驱动是软体机器人中广泛使用的驱动方式，可分为弹性体驱动和可充气驱动。弹性体驱动在加压时需要克服材料应变带来的能量损失，而可充气系统虽然具备大变形能力，但在灵巧性和控制方面仍面临挑战。本文提出的 SBA 通过二维层叠制造方法，可以在保持非驱动尺寸极小的同时实现多自由度运动，克服了传统弹性体驱动器在尺寸与行程之间的矛盾。
在设计与制造流程方面，研究采用热压工艺将 38 μm 厚的热塑性弹性体（thermoplastic elastomer，TPE）和 25 μm 厚的聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE，即 Teflon）层选择性键合。TPE 层构成执行器的结构皮肤，Teflon 层作为掩模防止非设计区域的粘合。制造过程中，作者识别了两种主要失效模式：泄漏和过度熔化。泄漏通常由过窄的 TPE 键合区域和空间压力波动引起，研究发现最小键合区域宽度应为 0.75 mm。过度熔化则与 Teflon 安全区域不足和键合温度过高有关，研究确定 Teflon 正向偏移至少为 0.5 mm，并采用 135 °C 和 110 kPa 的键合参数以降低过度熔化风险。
制造流程分为五个步骤。首先，将底部气球的上两层进行“快速键合”（flash bond），条件为 135 °C、110 kPa、3 分钟。然后加入底部的 TPE 层，在相同温度和压力下热压 12 分钟形成完整键合。接着，对中间气球的所有层进行快速键合，时长为 10 分钟。之后将最上层 TPE 层加入整个叠层，热压 20 分钟完成全键合。最后，将管件插入底部气球的入口通道，并用粘合剂密封。整个制造过程约需 1.75 小时，能够制造包含多达 20 个气球的 SBA，远多于先前工作中的最多 6 个气球。研究还设计并制造了一种整体式三自由度 SBA，由三个腔室并联约束构成。该执行器的三叶截面可内切于直径为 15 mm 的圆，折叠后可通过直径 9.25 mm 的通道，每个腔室直径为 5 mm，中央还有 2 mm 直径的通道可容纳器械或末端执行器。
在建模方面，研究提出了几何模型和有限元模型（finite-element model，FEM）。几何模型假设 TPE 不可伸长，仅描述执行器在“几何阶段”的膨胀行为。该模型通过将单个气球的垂直截面拟合为抛物线，建立了内部体积与高度之间的运动学关系，其近似表达式为 v ≈ π/(27l²) (32h⁵ − 24h³l² + 18hl⁴)。当进一步充气进入“应变阶段”，TPE 本身开始拉伸，几何模型不再适用。FEM 方面，研究使用 Abaqus 对单个气球在 0 至 6 kPa 内部压力下的变形进行了模拟，用于研究所需充气压力。此外，还利用 SOFA 平台结合模型降阶技术，实现了完整三自由度 SBA 的实时 FEM 模拟。SOFA 模型中，通过定义九个参考点的骨干曲线建立降阶空间，再利用非线性映射函数 A 将参考点映射到 FEM 空间。该模拟以约 10 Hz 的速度运行，在计算速度与精度之间取得了平衡。
在实验表征方面，研究对 SBA 的能量、行程、力、弯曲刚度、驱动速度和功率密度以及工作空间进行了系统测试。能量表征显示，在 10 kPa 充气压力下，系统输入能量为 45.3 mJ，损失 4.2 mJ；在几何阶段 1 kPa 压力下，输入能量为 531 μJ，损失 55 μJ。行程表征表明，对于腔室直径为 10 mm 的 1 自由度 SBA，几何模型在空气驱动下可预测至归一化体积 0.045 mL，最大误差 130 μm；在水驱动下可预测至 0.086 mL，最大误差 120 μm。SOFA 模型在腔室直径 5 mm 的 1 自由度 SBA 上，初始预测误差约 13.3%，但经过 75 μm 平移校正后，最大误差降至 4.9%。Abaqus 模型在约 0.95 kPa 之前与实验数据吻合良好，之后开始高估行程。力表征结果显示，三自由度 SBA 在平坦状态下最大输出力为 4.87 ± 0.02 N，在 25% 最大伸长时输出 4.07 ± 0.07 N，在 75% 最大伸长时输出 2.40 ± 0.03 N。弯曲状态下，30° 弯曲角时最大输出力为 3.22 ± 0.12 N，60° 时为 1.41 ± 0.05 N，90° 时为 0.55 ± 0.02 N。弯曲刚度测试估算得到 1 自由度 SBA 的杨氏模量约为 35 kPa，3 自由度 SBA 约为 60 kPa。驱动速度方面，气动驱动可在 67 ± 11 ms 内完成完全驱动，水驱动则需要 920 ± 80 ms。功率密度计算显示，3 自由度 SBA 在不同伸长状态下功率密度约为 2.87 至 5.81 kW kg⁻¹，1 自由度 SBA 为 2.73 至 6.31 kW kg⁻¹。工作空间表征显示，3 自由度 SBA 从 0.95 mm 的收缩高度最多可伸长至 17.5 mm，最大弯曲角度可达 81 ± 6°。
在功能演示部分，研究展示了三种典型应用场景。第一种演示中，一个三自由度 SBA 通过直径为 9.25 mm 的管道，进入腔体后利用外部磁铁固定，随后推动一个重 46 g 的高尔夫球。第二种演示中，一个径向扩展机构由三个 1 自由度 SBA 环绕硅胶管构成，膨胀后从约 15 mm 直径扩展至约 28 mm，用于在管腔内形成支撑。在支撑启用时，附带吸盘的三自由度 SBA 可以吸取并提起 1.2 g 的弹珠；当支撑关闭时，SBA 因缺乏反作用力而无法完成任务。第三种演示中，三个三自由度 SBA 围绕中央软管排列，其中两个作为腿，一个作为头，使机器人从几乎扁平的状态站立起来，并抬起覆盖物，从而在坍塌环境中创造可探索空间。
研究的主要结论是，所提出的整体式制造工艺能够以 90% 的成功率制造 SBA，支持制造 1 自由度和 3 自由度执行器。几何模型能够在 TPE 进入应变阶段之前较好捕捉执行器的运动学行为，SOFA 平台则展示了多自由度 SBA 实时模拟的可行性。系统的实验表征数据为 SBA 在微型非结构化环境中作为完全可控机械手提供了基础。研究还展示了 SBA 通过小孔径、在外部结构中形成支撑以及重构环境三种能力。
该研究的学术价值在于提出了一种基于二维层叠工艺的模块化制造方法，克服了传统弹性体软驱动器在收缩尺寸和输出行程之间的矛盾，并引入了几何模型和实时 FEM 方法对 SBA 的运动学进行描述。应用价值方面，SBA 特别适用于微创手术和搜救等需要在极小空间入口与较大工作空间之间切换的场景，能够在保持毫米级收缩厚度的同时产生厘米级行程和牛顿级力输出。研究亮点包括：首次同时制造包含多达 20 个气球的 SBA；提出 0.75 mm 键合区域和 0.5 mm Teflon 安全区域的制造准则；验证了 SOFA 平台对多自由度 SBA 的实时模拟能力；并展示了 SBA 在复杂环境中多项功能的集成。
本文提出的层叠气球执行器通过独特的二维制造方法和多自由度设计，兼顾了极小收缩体积与大幅输出能力，为受限环境中的软体机器人提供了新的设计思路和实验基础。