新型风滚草仿生机器人Twirlbot实现光驱动全向滚动
在自然界和机器人领域，单向运动是最基本的运动形式。然而，要在复杂的现实地形中有效导航，就需要转向能力，这通常通过精密的控制系统或特殊结构来实现。全向滚动作为终极目标，具有最小的转弯半径，在机器人遇到障碍物时能提供极高的灵活性和机动性。与轮式结构相比，球形滚动机器人，尤其是由软材料构建的球形机器人，天然不受转弯半径限制，能够实现无限滚动方向，并且在复杂地形上具有几何稳定性。然而，现有的球形机器人几乎完全由内部多组件系统驱动，包括电机、处理器和外接电源，这导致了设计复杂度高、动态平衡维护困难、微型化成本高昂以及长期运行可靠性差等一系列挑战。刺激响应聚合物作为一类具有物理智能的材料，能够在材料层面实现大而可逆的变形，为上述问题提供了有前景的解决方案。然而，由于高变形刺激响应材料的取向受限，且至今尚未实现对称球形结构，自主全向滚动在现有软体机器人设计中仍然难以实现。
图1. Twirlbot的封面图
受风滚草启发，加州大学洛杉矶分校（UCLA）贺曦敏教授及博士后陈驰等人开发了一种名为Twirlbot的滚动机器人，通过编织光活性/被动双层条带实现了空心球形结构（图1A-G）。Twirlbot在恒定光照下展示了自主滚动能力（图1H-K），实现了多种功能，包括全向运动、爬坡、抗踩踏、货物运输、自我修正、抗风以及对不同地形和环境的适应能力。这些特性赋予Twirlbot在现实应用中的巨大潜力，例如自主播种、日光驱动通勤和自主水下布线。值得注意的是，该结构设计可推广到其他材料系统，包括商业材料，实现显著的成本降低，仅为现有自主无绳机器人的十分之一以下，从而为下一代无绳、自维持机器人系统开辟了有前景的路径。相关论文以“Twirlbot: Tumbleweed-inspired rolling robot”为题，发表在Science Advances上，并被Nature亮点报道。
Twirlbot的设计与滚动机制
Twirlbot的制造灵感来源于风滚草的生命周期。在成熟之前，风滚草以灌木的圆形骨架生长，当湿度低于可生存水平时，一层特化细胞使植物能够从根部脱离。凭借其空心球形几何结构，风滚草能够利用周围环境的风力将多达25万颗种子播撒到广阔区域（图1A）。研究人员通过编织六条几何形状相同的环状条带构建了空心球体，这些条带由外层的液晶弹性体（LCE）掺杂高效光热纳米粒子（蜡烛烟灰）和内层的被动聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成（图1C-G）。在编织结构中，每条条带独立但又物理交织以相互支撑，类似于风滚草由交错枝条形成的空心结构（图1D-E）。因此，辐照区域的致动会通过机械互锁触发相邻条带的运动，导致总力矩变化使机器人倒下并产生滚动运动。由于滚动运动使新的区域暴露在恒定光照下，机器人能够实现自主连续运动（图1H-K）。
图1. Twirlbot的制造和滚动机制。 (A) 自然风滚草的生命周期及其利用风的滚动运动。 (B) Twirlbot能够在恒定光照下实现跨各种地形的自主全向滚动。 (C至F) 基于(G)六条相同的主动/被动双层条带，将Twirlbot制造成交织中空球体的过程。 (H至K) 恒定近红外照射下的自持续滚动过程和机制。
在恒定近红外照射下，Twirlbot的连续滚动可以被视为变形-倒下-恢复的连续步骤，由自遮蔽机制驱动（图2A）。在恢复过程中，被动PDMS层迅速释放光热变形过程中积累的弹性能量，从而促进形状恢复。红外可视化显示，每次倒下动作中Twirlbot在峰值温度下的运动对于产生最高位移速度至关重要，这使其能够实现连续脉冲式滚动（图2B-C）。实验表明，由LCE单层、PDMS单层或LCE/纸双层构成的相同几何结构（特别是直径和条带宽度）无法实现自持续运动，这凸显了主动层与被动层之间的相互作用在决定变形和恢复性能方面的决定性作用。
滚动行为的关键参数
为了进一步研究整个结构的滚动行为，研究人员引入了与每个双层环相关的两个几何参数：被动层与主动层的厚度比以及每条双层带的宽度。在不同参数组合下，Twirlbot表现出三种不同的运动模式：当被动层比例低且宽度窄时，机器人在完成有限次数的循环后发生坍塌；在适当的厚度比和宽度下，机器人实现了自持续连续滚动；当厚度比或宽度过大时，机器人保持静止（图2D）。原因在于每条双层带的弯曲刚度和交织结构——增加被动层比例或宽度会提高弯曲刚度，从而降低光致弯曲性能，同时也会放大交错条带之间的有效压缩，降低节点活动性，进而导致滚动速度下降（图2E-F）。然而，这种增加也有利于促进滚动过程中的形状恢复。压缩测试表明，当压缩到相同程度时，具有较高厚度比或宽度的空心球体会产生更大的压缩力，并且在去除压缩力后表现出更快的恢复速率（图2G）。多物理场有限元分析模型进一步揭示了厚度比和宽度对节点应力分布和运动行为的影响，验证了实验观察结果（图2H-I）。
图2. Twirlbot自持续滚动的调控参数。 (D) 在强度约为600 mW/cm²的恒定光照下，不同dPDMS/dLCE和宽度对Twirlbot三种运动模式的影响：有限循环滚动、连续滚动和静止。 (E) 滚动速度分布图和(F)步频（即倾倒频率）与相同参数变化的关系，BL表示体长。 (G) 不同dPDMS/dLCE和宽度的Twirlbot在50%应变下测量的压缩力。 (H) 不同dPDMS/dLCE（宽度固定为2.5 mm）和(I)不同宽度（dPDMS/dLCE固定为2）下每个节点光致变形的建模结果，其中d、σa和U分别代表致动应变、致动应力和弹性能量密度。
光控滚动速度
恒定光照作为唯一的能量输入，在调控滚动行为中起着关键作用。最佳光斑宽度应覆盖Twirlbot的整个宽度，以防止过窄的照明穿过结构间隙或在外表面上产生不均匀照射。光斑底部与地面之间的距离决定了照射面积，从而影响步长和滚动速度（图3A-B）。当照射面积保持恒定时，增加光强度仅促进变形弹性能量的积累，从而通过提高频率成比例地提高滚动速度（图3C）。总之，Twirlbot的滚动速度由步长和频率共同决定，可以通过三个方面进行有效调控：增加照明面积可增强变形从而增加步长；调整照明位置可调节总力矩从而改变频率；增加光强度可成比例地提高致动频率从而导致更高的滚动速度。
多功能性能展示
Twirlbot展示了卓越的多功能性。它能够在倾斜角度从6°到-6°的玻璃表面上自主滚动并攀爬/下坡垂直高度（图3D）。LCE和PDMS的材料组合赋予Twirlbot出色的坚固性，单个双层条带在100次致动循环中表现出最小的疲劳，使得Twirlbot在被踩踏后仍能保持球形结构进行滚动（图3E）。在货物运输方面，当货物直径接近Twirlbot的直径时，货物与内壁之间的接触力会限制其变形能力，导致滚动速度下降；而对于直径小于Twirlbot的货物，Twirlbot能够承载超过自身质量的负载并保持一定速度（图3F）。
由于其对称结构，Twirlbot能够实现朝向光的全向自持续滚动，表现出可忽略不计的转弯半径，可以实现连续的360°方位角运动（图3G）。因此，Twirlbot能够在人工控制的入射光源引导下实现任意可重构轨迹，如字母\"n\"形路径（图3H）。值得注意的是，这种全向滚动是在不影响滚动速度的情况下实现的。此外，全向行为还赋予了Twirlbot正向趋光性——当遇到第二个更强的光源时，Twirlbot通过更大的光致变形自发地修正滚动方向（图3I）。这种光引导的持续滚动即使在2.9米/秒的横风（相当于蒲福风级2级，轻风）条件下也能保持。
图3. Twirlbot的多功能特性。(A) 光照位置示意图。(B) 不同宽度Twirlbot的滚动速度随归一化Y值的变化。(C) 滚动速度随光强度的变化。(D) 在不同倾斜角度玻璃表面上的攀爬能力。(E) 经过75%压缩循环后的球形恢复能力。(F) 不同质量负载下的滚动速度。(G) 连续360°全向滚动演示。(H) 通过手持太阳模拟器实现的可编程路径（字母\"n\"形）。(I) 正向趋光性行为演示。
现实世界应用潜力
在现实环境应用中，Twirlbot展现出卓越的地形适应性。它在广泛的表面粗糙度范围内保持稳定运动，包括纸张、金属、亚克力板、玻璃，甚至当这些表面倾斜时也是如此（图4A）。由于其爬行能力和固有弹性，Twirlbot能够有效滚过最大高度相当于其直径0.11倍的障碍物，小型自然障碍物如砾石和木屑不会阻碍其自持续运动，使其能够成功穿越森林小径中的砾石、沙子、落叶和土壤等复杂现实地形。
受自然界风滚球的启发，Twirlbot不仅能够实现被动播种，还能主动追逐阳光，通过倒下运动中产生的振动从内部空腔可控地播撒种子（图4B）。携带179.9毫克甜椒种子的Twirlbot（自身质量为354.6毫克）能够在几分钟内沿光照路径完成自持续、有序的播种。播种完成后，Twirlbot自主离开播种地点，避免干扰种子的自然萌发和生长。
通过水平放置聚光透镜，Twirlbot能够利用阳光的周期性运动，充当具有可逆运动的自主日常通勤车辆（图4C）。日出时，阳光通过左侧透镜，聚焦光束激活Twirlbot的向光性响应，触发其从初始位置（右侧）自主滚动到指定的工作位置（左侧）。当太阳高度角增加到超出透镜聚焦范围时，光照强度和入射位置变得不足以维持运动，Twirlbot停留在指定位置进行可能的补给或装载。随着一天走向日落，通过右侧透镜的聚焦光重新激活Twirlbot，使其能够自主返回初始位置，完成往复循环。
鉴于LCE和PDMS在水中的稳定性，Twirlbot的应用范围可扩展到水生环境，在恒定照射下同样表现出自持续滚动（图4D）。由于水的更高热导率，Twirlbot需要更长时间积累足够的光热能来启动运动，但这种增强的热导率也促进了每次变形过程后的更快恢复，并在辐照和非辐照区域之间产生更大的热梯度，从而实现更有效的不对称变形。此外，浮力部分支撑结构并减少了滚动过程中的地面摩擦，使得相同Twirlbot在水下速度达到陆地上的两倍以上。这种多环境适应性使Twirlbot可用于可控的水下释放或部署，例如自持续水下布线（图4E）。
图4. Twirlbot的现实世界应用潜力。 (B) 自主选择性播种行为。 (C) 利用日落和日出光实现自主日常通勤。 (D) 水下自持续滚动。 (E) 自主水下布线。 图5. 由商业材料构建的Twirlbot。 (A) 用于制备双层条带的原材料。 (B) PP/纤维素双层的热响应。 (C) 制造的可扩展几何尺寸的PP/纤维素Twirlbot。 (D) 强度约为600 mW/cm²的恒定照射下的连续滚动。 (E) 无绳自主机器人的成本比较，H1和G1表示Unitree开发的人形机器人型号
超低成本材料拓展
Twirlbot的结构设计不限于LCE驱动系统。只要制造方法一致且主动/被动双层条带表现出适当的变形和恢复能力，包括最便宜的商业可得材料在内的广泛材料组合均可用于开发Twirlbot。例如，研究人员选择纤维素称重纸和粘性聚丙烯胶带直接构建双层结构，并用黑色记号笔将纤维素纸涂黑以进行光热转换（图5A-B）。遵循相同的制造方法，基于聚丙烯/纤维素的Twirlbot可以组装成直径从约8.37毫米到约9.63厘米的可扩展尺寸（图5C）。尽管其滚动速度、步频和步长相对低于LCE/PDMS对应物（图5D），但这一结果证明了Twirlbot的制造方法和结构设计可以扩展到更广泛的材料系统，包括非专业人员也能获得的成本效益高的商业选项。具体而言，每个聚丙烯/纤维素Twirlbot的平均成本可降至10⁻³美元数量级，比现有无绳机器人设计至少低一个数量级（图5E）。
图5.由商业材料构建的Twirlbot。(A) 用于制备双层条带的原材料。(B) PP/纤维素双层的热响应。(C) 制造的可扩展几何尺寸的PP/纤维素Twirlbot。(D) 在约600 mW/cm²恒定照射下的连续滚动。(E) 无绳自主机器人的成本比较。
总结与展望
本文提出的Twirlbot由六个交织闭环通过编织制造方法构建而成。光活性/被动双层结构同时决定了变形能力和恢复能力，使得在恒定照射下实现自持续滚动成为可能，这一点得到了有限元分析建模的支持。由于其中心对称的空心球体结构，Twirlbot表现出多种滚动功能，如攀爬、抗踩踏、负载能力和正向趋光性，所有这些都得益于其全向运动性能。因此，Twirlbot能够适应各种具有不同表面粗糙度和障碍物的地形，并在水下条件下有效运行。这些特性使Twirlbot能够充当恒定阳光下的自维持播种机、日出日落间的自主通勤车辆以及水下自主布线机器人。尽管目前测试的材料系统仍需要凸透镜来聚焦阳光，但快速发展的材料系统有望通过环境热或人体温度实现自持续运动，从而大幅降低该结构的激活阈值并增强其在现实应用中的可行性。目前由六条条带组成的Twirlbot由于表面间隙呈现之字形轨迹，而增加条带数量有望实现更直线的运动。总的来说，所有这些特性都在单组件系统中实现，为下一代无绳、自主、能量可持续且成本效益高的机器人开辟了道路，特别是在机器人和农业领域。
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