外文翻译-电渡活性聚合胶凝体制成的海星状胶凝体机器人的运动设计

of a of a ,b ,a ,a 713b 60a to of of be in a We a 2002 as to in of to of to be a of by of is to a we of is to we on of We a to of 1on we a of We of be on 2. We a an We on by to a of We a by in a a to 3. we in by In we a of by 2 of 3of in by By we by or a of of as a by 2. e a 4,5 of to in a an is In of or be by of a an In we of of 1). is by an by in a If of is is on 4,6. by on of 7. on on 8,9. we of )t t as a of of )at of )it )2, ( ) ( ( ) ) ( ( )a d s t t f v t g a d s t (1) we of if is we of by on to of on of at is a of or of is of of is We we 3. 3. of on we a of by we to We of of of in (a) of 2(b) of in of by by a (by a DC of is by a 4. of of is we of A is on of If of is to of we in a To we to in a of in mm in 20 mm in in of to 5 We of to to 1 2 3 4 V , V , V , V = 1 0 , 0 , 0 , - 1 0 (V)(2) of A of in a is 3. an of of of 0 s. 0 s. of is a of is an to of on as In is on to of a on we a a of In in a We by a of in of 0 2 4(a). We a of 0 mm mm at at 5 mm mm to of at 5 4(b)to of 0 10V 1 1 1 2 1 3 1 42 1 2 2 2 3 2 43 1 3 2 3 3 3 44 1 4 2 4 3 4 41 0 - 1 0 1 0 - 1 0- 1 0 1 0 - 1 0 1 01 0 - 1 0 1 0 - 1 0- 1 0 1 0 - 1 0 1 0V V V V V V V V V V (V) (3) of is 5. of 23 (5(1)of a of 23 5(2). to 5(3), it 5(4). of 5(5). of 32 of to 5(6). of of we as is of in of to is by of of to of on to of as a of 电渡 活 性 聚合胶凝体制成 的 海星状胶凝体机器人的 运动 设计 a 东京大学 息学 专业 , 7东京113日本 b 北海道大学系统和信息工程学 , 60日本 摘 要 :本文提出 一种 方法 使 由 电渡活性 聚合物胶凝体制成的软体类动物型 可变形的 机器人 产生 新颖的 运 动。模 拟 和实验 的 结果表 明 , 在平面 结构里通过多个电极可获得很多变形 。我们 已经 设计了一个海星形状的胶凝体机器人 ，其可以通过空间变化的电场实现翻身。 关键词 ： 运动 设计 ;电渡活性 聚合物 ; 胶凝体机器人 ; 海星 ;可变形的 1 可变形 机器人 , 譬如子弹 形 , 鳗鱼 形 和蛇 形 机器人 能够 适应 由刚性链接和连接的 常规人工 机器人 无法 适应的 情况。以 它 们 柔软 的身体 , 例如 鳗鱼 比其他刚性动物更快地 通过极端凌乱的海底环境。未来机器人 的传动装置 被 预计 为人造 肌肉。 电镀活性 聚合胶凝体 将是构造像软体动物般似的可变机器人的一种候选材料，这主要是它们的形状和尺寸可以通过电场来控制。这些胶凝体代表了一种“开放系统”，它能够与外部环境交换事件和能量。 我们的研究目标就是为人造肌肉开发一种系统。朝着这个目的，我们已经建立了“胶凝体机器人”模型，它全是由电镀活性聚合胶凝体构成的。目的就是去探索机械设计和控制论所要求的一类机器人。开始，我们主要集中于胶凝体的形状和弯曲响应。我们通过胶凝体机器人的形状设计提出一种实现功能的方法。我们基于所做的实验，提出一种描述胶凝体变化 过程的运动模型。我们发现胶凝体的形状可以通过胶凝体材料和周围环境电厂的局部的化学反应来进行预测。我们提供了模型方框图，其中把电镀活性聚合物系统分为两部分：胶凝体和电场。我们使用相同的胶凝体做成许多形状并把注意力集中于电场而不是胶凝体材料。我们用线性排列的电极来产生变化的空间电场并用其去进行实验，同时也得到一种方法去计算电场。然而，我们还没有在由电极产生的变化的空间电场实现动态运动。 在本论文中，我们综合动态模型的方法和电极的计算方法创造了胶凝体机器人一种新颖的运动。我们在由多个电极产生的空间变化的电场里模拟 胶凝体的形状变化。在模拟条件下同时去驱动实际的胶凝体材料，再比较结果。由现行排列或矩阵排列的电极产生的变化的空间电场能够使胶凝体产生有意义的运动，例如，海星状的胶凝体机器人就能使它整个身体实现变形。 2、电镀活性聚合胶凝体机器人的模拟框架 我们选择一种典型的电镀活性聚合胶凝体，聚乙烯胶凝体和与之相关的来自于很多电镀活性聚合物聚合胶凝体，因为它能够实现最大的变形。当电场受压时胶凝体在编面活性剂溶液里就会弯曲。 一般来说，电镀活性系统由分开或合成的聚合物和电极组成。无论哪种类型都能够由聚合物溶液和电场的局部电 气和化学相互作用来建模。在相同的方式下，我们来分析胶凝体运动的机械装置（图 1）。 图 1 胶凝体运动的机械装置 凝体通过电场来驱动，电场由在包含硫酸钠的氯化钠溶液产生。胶凝体强烈和迅速的朝阳极弯曲。如果电场是重复的交替变化，胶凝体的弯曲方向就会产生振荡变化。弯曲运动主要是基于分子吸附实现。电场驱动的阳离子吸附在带负离子的胶凝体表面。被吸附的分子在表面传递并产生压力。因此我们设定：被吸附的分析数量 ()t t 作为胶凝体 ()一般向量的函数，胶凝体 () ()表面的电流密：( ) ( ( ) ) ( ( )a d s t t f v t g a d s t (1) 这种近似表示吸附过程：连接聚合物和电场的化学作用。应次，我们降低使用这个公式计算的复杂性。甚至在电场时 复杂的情况下，我们也能取代基于电场的电流密度参数来近似胶凝体的变形。 问题就缩小为在电极给定电压下获取表面电流密度。这就是一种有界值的问题。下面两个约束条件主要是假定静态或准静态电场： a) 相同电极的电压是相同的； b) 所有电极的电压之和为零。 我们提供电压模拟的方法来在数学上来解决这个问题。 3、电镀活性聚合系统的发展 基于前面所描述的框架，我们已经创造出一种软件和硬件系统来研究由电场产生的胶凝体机器人的运动。通过电压，我们把电信号从数字转换成模拟，用多电极来放大和产生电场。同时我们计算电场量并近似胶 凝体的变化。模拟器实时的反应出它们。图 2a 表示了实电场的发生器，而图 2b 表示出电镀活性聚合系统的监控器。在种系统中，实验通过在空间变化的电场里的胶凝体机器人来完成。 电压由 ，由一个直流功率放大电路来放大。 4、模拟和实验结果 有平行电极的射线状胶凝体的运动 一般，这种材料仅仅在平行电极之间移动。然而，我们提出的模型表明在控制胶凝体形状时平行电极并不是必须的。一个必要条件就是在表面要有足够的电流密度和表面方向。如果电流密度和方向向量 的内积大到足够动态的改变吸附状态，胶凝体的形状就会动态的改变。因此，我们假定多个平行电极能够驱动胶凝体。 为了印证这个假定，我们把电压加到平行的四个电极上并观察模拟和实际的胶凝体的运动。其中每一个电极都是 4， 20。相邻电极之间的间距时 2凝体的带状和电极排列相互之间都是并行。胶凝体和矩阵之间的间距是 15们从左到右采用如下的一组电压： 1 2 3 4 V , V , V , V = 1 0 , 0 , 0 , - 1 0 (V)(2) 胶凝体带的左边是固定，而右边是自由变化的。 一种新的运动通过线性配置的电极而创造，如图 3 中所示。在电场通电 1 分钟后就获得了模拟和实验结果。图片的上面是模拟胶凝体，而下面是实际的胶凝体。电压和电流密度如图所示。左边表示初始状态，中间表示 30 秒后的状态，右边表示胶凝体 60 秒后的状态。尽管运动的速度是很慢，但是结果表示使用电极线性排列可以实现大的变形。 胶凝体趋近阳极而远离阴极。这主要是因为阳极排斥表面分子，而表面分子是吸附在胶凝体表面，与电极在同一面。相反，阴极吸引表面分子远离 胶凝体表面。吸引的速度远大于被吸引的速度，这就促使表面分子的聚集。因此，弯曲就变得更严重。 星状胶凝体机器人的新运动 基于以上基本试验，我们研究了能在矩阵电极下实现翻转的海星胶凝体机器人。在试验中，四个电极排成一列。我们增加一维组成四行四列的矩阵。每一个电极是 10极之间的空间间距为 5们制作的海星状胶凝体机器人有五列。每列的长度为 10为 25 1极被平行于水平面放置，而胶凝体机器人放置在电极的底部。电极和胶凝体机器人的间距为 15阵中的每个电极所加的电 压为 10 或拟电压为： 1 1 1 2 1 3 1 42 1 2 2 2 3 2 43 1 3 2 3 3 3 44 1 4 2 4 3 4 41 0 - 1 0 1 0 - 1 0- 1 0 1 0 - 1 0 1 01 0 - 1 0 1 0 - 1 0- 1 0 1 0 - 1 0 1 0V V V V V V V V V V (V) (3) 图 5 表示出胶凝体机器人的运动过程 开始，胶凝体机器人的中心位于 极的下面（图 由于电极 极性是负的，因此假定海星状胶凝体机器人的中心是弯曲的（当即器人折叠并相对于电极直立时（图 它就会失去平衡而翻转（图 然后，机器人的弯曲方向就会反