可变形轮腿形态软体机器人的磁控多模态运动与环境自适应策略

《The Innovation》：Magnetically controlled multimodal motion for environmentally adaptive soft millirobots with transformable wheel-leg morphology

　　本研究针对软体机器人在复杂环境中多模态运动控制的挑战，开发了基于温度/湿度/磁场多刺激响应的可变形轮腿形态软体机器人。通过理论建模优化驱动参数，实现了双足行走与滚动运动模式的精准切换，并构建分层路径跟踪控制器。实验表明该机器人能适应斜坡、曲面、楼梯等多种地形，完成货物抓取运输等任务，为受限空间探测提供了新方案。

　　

在微创手术、管道检测和灾难救援等受限空间作业中，传统刚性机器人由于形态固定往往难以适应复杂地形。而新兴的软体机器人虽然具有优异的形态灵活性，但在实际应用中却面临一个核心难题：如何实现运动模式与形态变化的协同控制？特别是在跨越不同障碍时，需要机器人既能变形适应新环境，又能保持变形后的稳定运动。现有软体机器人多采用单一驱动方式，使得形态变化与运动控制相互耦合，导致运动稳定性差、控制精度低等问题。

针对这一挑战，北京理工大学智能机器人研究所的研究团队在《The Innovation》发表了一项创新研究，开发出一种具有可变形轮腿形态的磁控多模态运动软体毫机器人。该机器人采用温度、湿度和磁场多刺激响应材料构建，能够独立控制变形和运动，实现了在非结构化环境中的精准导航。

本研究主要采用了几项关键技术方法：首先通过多刺激响应材料设计，使机器人具备温度/湿度/磁场三重响应能力；其次建立理论模型优化磁驱动参数，指导双足行走和滚动等运动模式的精确控制；最后开发分层双路径跟踪控制器，实现运动模式的自主切换。研究样本为实验室自制的软体毫机器人平台。

多模态运动控制

通过理论建模与参数优化，研究人员实现了机器人从双足行走模式到轮式滚动模式的无缝切换。在双足模式下，机器人能够以拟人步态稳定行走；而在轮式模式下，则可以实现快速滚动前进。这种多模态运动能力使机器人能够根据地形特征选择最优移动策略。

环境适应性验证

实验结果表明，该软体毫机器人能够成功穿越斜坡、曲面、楼梯、狭缝和间隙等多种复杂地形。特别是在楼梯爬升任务中，机器人通过轮腿形态的适时变换，展现了卓越的障碍克服能力。此外，机器人还成功完成了货物抓取与运输任务，验证了其功能多样性。

形态互补性分析

研究发现了不同运动模式之间的互补特性：轮式模式适用于平坦地面的快速移动，而腿式模式则更适合崎岖地形的精确导航。这种形态互补性使机器人能够根据任务需求自主选择最优运动策略。

该研究通过可变形轮腿形态设计与多模态运动控制策略的创新结合，成功解决了软体机器人在复杂环境中自适应导航的难题。提出的多刺激响应材料体系与分层控制方法，为软体机器人领域提供了重要的技术突破。这种具备环境适应性强、形态互补性高、功能多样性好的软体毫机器人，在微操作、缝隙检测等受限空间应用场景中展现出巨大潜力，为未来智能机器人的发展指明了新方向。