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智能材料與智能機(jī)器人的智能化的論文
隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步，一些人類不愿意甚至不能夠做的事情(如工作環(huán)境差、勞動強(qiáng)度大、危險(xiǎn)程度高等的工種或工序)已經(jīng)開始利用機(jī)器人去實(shí)現(xiàn)，例如汽車制造工業(yè)中應(yīng)用的焊接機(jī)器人，完成減速器殼體、汽車座椅、汽車燃油箱、汽車車身等的焊接工作[1]。生產(chǎn)力的發(fā)展使機(jī)器人得到快速的發(fā)展，智能科技化程度也越來越高，不僅部分解放了人類的雙手，而且提高了生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。智能機(jī)器人除在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用外，在一些服務(wù)行業(yè)也越來越受到人類的青睞。 2016年5月媒體報(bào)道，河北保定一家餐廳引進(jìn)智能送餐機(jī)器人當(dāng)“跑堂”，機(jī)器人“服務(wù)員”每次充電后可持續(xù)工作約8h，具備自動送餐、空盤回收、菜品介紹等功能[2]。機(jī)器人甚至可以深入到深海地區(qū)探測海底情況，完成人類根本做不到的事情。據(jù)新華社報(bào)道，我國自主研發(fā)的水下機(jī)器人“潛龍二號”成功地對西南印度洋脊上的熱液活動區(qū)開展了試驗(yàn)性應(yīng)用探測。在這種被稱為“海底黑煙囪”的復(fù)雜地帶，“潛龍二號”獲得了熱液區(qū)的地形地貌數(shù)據(jù)、發(fā)現(xiàn)多處熱液異常點(diǎn)，拍攝到硫化物、玄武巖和海洋生物等大量照片，取得了大洋熱液探測的突破[3]。由此，機(jī)器人從最初的僅僅可以完成一些簡單動作發(fā)展到能夠感知環(huán)境的變化，并根據(jù)外部環(huán)境做出反應(yīng)，完成相應(yīng)動作，即人們所說的智能機(jī)器人。而智能材料可以通過自身表層或內(nèi)部結(jié)構(gòu)獲取關(guān)于環(huán)境條件及其變化的信息，隨后進(jìn)行分析、判斷、處理，通過組織結(jié)構(gòu)的改變實(shí)現(xiàn)功能的更新，實(shí)現(xiàn)與外部環(huán)境相適應(yīng)的目標(biāo)，所以其具有類似于生物智慧的系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)。故這類材料可以為機(jī)器人智能化的實(shí)現(xiàn)提供更多的可能。
一、智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)組成
自從1959年世界上第1臺工業(yè)機(jī)器人由美國人英格伯格和德沃爾制造成功以后，機(jī)器人經(jīng)歷了由完成簡單操作功能的機(jī)械手到智能機(jī)器人的變革。目前的智能機(jī)器人已經(jīng)具有了類似人的思維、判斷能力，擁有強(qiáng)大的感知系統(tǒng)，并可以根據(jù)外部環(huán)境的變化實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)和自我調(diào)整，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)的積累進(jìn)行自我安排，完全獨(dú)立的工作[4]。
智能機(jī)器人主要由機(jī)械裝置、信息采集與智能控制等部分組成[5]。機(jī)械結(jié)構(gòu)系統(tǒng)是機(jī)器人的主體，由基座、手臂、末端執(zhí)行器3大件組成。基座一般由金屬材料加工制造而成，要求具有一定的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性，研制強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的材料可以既保證其強(qiáng)度、剛度要求，又降低其質(zhì)量，節(jié)約能源消耗，同時新型材料的使用使得智能機(jī)器人在較惡劣環(huán)境下工作成為可能，拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，減輕人類負(fù)擔(dān)。
信息的采集主要依賴于傳感技術(shù)，傳感器的使用使得智能機(jī)器人可以像人類一樣擁有“眼睛”、“耳朵”、“鼻子”，對看到的、聽到的、感受到的、接觸到的環(huán)境信息如溫度、壓力、聲音、障礙物等信息進(jìn)行采集，通過對比行動的目標(biāo)信息，對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、篩選，獲得完成指令所需的信息。而傳感器材料的優(yōu)劣直接影響了傳感器性能的好壞，傳感器材料是智能機(jī)器人智能化的重要支撐。
控制部分的功能是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人接收從傳感器反饋回來的信息并形成作業(yè)指令以及驅(qū)動機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)任務(wù)。控制技術(shù)是智能機(jī)器人將信息采集與分析、形成行動規(guī)范的核心，是智能機(jī)器人完成各項(xiàng)任務(wù)的重要組成部分。而智能控制系統(tǒng)的智能程度與控制器的材料密不可分，也是智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)靈活行動、復(fù)雜動作等的重要支撐。
綜上，智能機(jī)器人的智能化與智能材料的功能化密不可分，智能材料不僅要具備良好的力學(xué)性能，同時又需要具備一些特殊功能，即能感知所處的內(nèi)外部環(huán)境變化，并能通過改變自身的物理性能或形狀，從而實(shí)現(xiàn)自診斷、自適應(yīng)、自修復(fù)等功能。智能材料的快速發(fā)展與應(yīng)用促使智能機(jī)器人在實(shí)現(xiàn)動作、對外界刺激的快速反應(yīng)等方面取得了明顯的進(jìn)步，對智能機(jī)器人智能化的實(shí)現(xiàn)發(fā)揮著巨大作用。
二、智能材料的發(fā)展
智能材料是一種可以利用組織變化或形態(tài)變化反映對外部環(huán)境刺激的感應(yīng)并匯總成可靠的信息，然后進(jìn)行自我調(diào)整以適應(yīng)外部環(huán)境的刺激的材料。智能材料是高科技材料，代表了材料科學(xué)發(fā)展的前沿技術(shù)，是智能機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能化的重要手段，是功能材料和結(jié)構(gòu)材料的有機(jī)結(jié)合[6]。智能材料的研制和大規(guī)模應(yīng)用將導(dǎo)致材料科學(xué)發(fā)展的重大革命，隨著智能材料功能的逐步深入研究，智能材料的應(yīng)用領(lǐng)域也在逐步擴(kuò)大。
1.智能材料的特征
智能材料的開發(fā)與研究源于仿生材料，因此智能材料系統(tǒng)具有或部分具有生命運(yùn)動的一些特征：
�、賯鞲泄δ埽杭磳ν饨绛h(huán)境及其它信息的接受能力，如感知到外界及自身所處的環(huán)境條件，如溫度、載荷、聲音、水壓、障礙物等。
�、诜答伖δ埽喝缤梭w的神經(jīng)系統(tǒng)，能夠?qū)Σ杉降男畔⑴c設(shè)定指令進(jìn)行對比與分析，形成合理的判斷并反饋給控制系統(tǒng)。
�、坌畔⒆R別與積累功能：主要是對采集信息的分辨能力以及匯總和儲存的功能。
�、茼憫�(yīng)功能：對接收的信息進(jìn)行判斷與分析后形成初步的行為規(guī)范并指導(dǎo)動作過程。
�、葑栽\斷能力：將系統(tǒng)目前狀況與常規(guī)狀態(tài)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行校正。
⑥自修復(fù)能力：對一些系統(tǒng)損傷或破壞能夠進(jìn)行自我修復(fù)。
2.機(jī)器人中智能材料的應(yīng)用
一般來說智能材料在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)中主要用于基體材料、敏感材料、驅(qū)動材料等。
(1)基體材料
為主要的結(jié)構(gòu)材料，用來承受一定的載荷，一般以輕質(zhì)材料為主。通常選用高分子材料，不僅密度小、耐腐蝕且具有粘彈性。當(dāng)然一些輕質(zhì)的金屬材料也可用作基體材料。
(2)敏感材料
敏感材料主要起傳感的作用，采集外界環(huán)境的信息如溫度、壓力、PH值、電磁場等。用得較多的敏感材料有壓電材料、形狀記憶合金、光纖材料、磁致伸縮材料等[7]。
(3)驅(qū)動材料
驅(qū)動材料是機(jī)器人能否根據(jù)相應(yīng)指令完成規(guī)定任務(wù)的重要保障，源于其在一定條件下，可產(chǎn)生一定的應(yīng)變和應(yīng)力，常用的有效驅(qū)動材料有形狀記憶材料、壓電材料、電流變體和磁致伸縮材料等[8]。
綜上，有些材料可以起到多重作用，例如形狀記憶材料、壓電材料既可以作為驅(qū)動材料又可以作為敏感材料使用，這為智能材料的設(shè)提供了思路。
三、智能材料在智能機(jī)器人中的應(yīng)用
1.傳感器材料
伴隨材料科學(xué)的發(fā)展，傳感器技術(shù)日益成熟，種類多種多樣，早期常選取半導(dǎo)體材料及陶瓷材料，近年來由于光導(dǎo)纖維、超導(dǎo)材料的研究開發(fā)，各種傳感器也隨之更新?lián)Q代。例如，較先進(jìn)的紅外傳感器、激光傳感器、光纖傳感器等現(xiàn)代傳感器，選用以硅為基體的半導(dǎo)體材料，利用其易于微型化、多功能化、智能化的特點(diǎn)，借助于半導(dǎo)體光熱探測儀器的靈敏度高、精度高、非接觸性好的性能特點(diǎn)。陶瓷材料和有機(jī)材料的快速發(fā)展帶動了敏感材料的發(fā)展，不斷地優(yōu)化配方，精密調(diào)配原料，經(jīng)高精度成型燒結(jié)，研制成新的敏感材料，用于制成新的傳感器。此外，有機(jī)高分子敏感材料也是頗具應(yīng)用潛力的新型敏感材料，可制成濕敏、光敏、氣敏、熱敏、力敏、生物敏和離子敏等傳感器。
另外，可從2方面著手研究提高傳感器的性能，一是采用敏感度更高的感性元件，二是研究新型的檢測方法以及更加精確的信號處理方法。例如，日本基恩士公司采用CMOS感光材料制成數(shù)字激光傳感器，測量精度可達(dá)0.5mm，且表面材質(zhì)對其基本沒有影響，智能機(jī)器人對目標(biāo)物體的定位更加精準(zhǔn)[9];導(dǎo)電橡膠的電阻也會隨壓力的變化而變化，因此也常用來作為觸覺傳感器的敏感材料[5];擬人化皮膚傳感器利用一種具有壓電和熱釋電性的高分子材料研制而成 [5]。利用高分子凝膠、合金材料等制成的力傳感器可以很好地模擬生物體的運(yùn)動功能提高機(jī)器人抓取動作的靈活性。
2.形狀記憶合金
形狀記憶合金(SMA)通過檢測外界環(huán)境如溫度或位移的變化，從而將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，如果能夠很好地控制加熱或冷卻，即可獲得重復(fù)性很好的驅(qū)動動作。用形狀記憶合金制作的熱機(jī)械動作元件具有體積小巧、結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著形狀記憶合金的產(chǎn)業(yè)化，該材料的優(yōu)點(diǎn)逐漸凸顯出來，越來越多地被應(yīng)用到智能機(jī)器人的某些零部件中。如用形狀記憶合金可制作成機(jī)器人手足、觸覺傳感器、機(jī)器人元件控制器及筋骨動作控制等。早在 1986年，日本生產(chǎn)的機(jī)器人中就采用了形狀記憶合金，可見日本很早就開始了這方面的研究。目前日本關(guān)于形狀記憶合金應(yīng)用于智能機(jī)器人的研究較成功，走在世界的前沿。有報(bào)道稱日本成功將形狀記憶合金應(yīng)用到海底機(jī)器人和微型機(jī)器中，所研發(fā)的一款深海機(jī)器人，可以自動勘探包括鈷在內(nèi)的海底稀有金屬資源 [10]。
形狀記憶材料的一個特點(diǎn)就是動作柔和，被用在某些需要進(jìn)行力量控制的智能機(jī)器人上。例如智能機(jī)器人夾持器，它是機(jī)器人末端執(zhí)行器之一，一般由手指、傳動機(jī)構(gòu)和驅(qū)動裝置組成，是機(jī)器人結(jié)構(gòu)中的一個重要組成部分。用來直接抓取和握持工件，以達(dá)到約束被夾持工件的自由度，而對其進(jìn)行位置控制的目的。作為電驅(qū)動器，可替代電磁螺線管、伺服馬達(dá)、液壓或氣動裝置，SMA驅(qū)動器設(shè)計(jì)簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、無噪音、成本低。SMA驅(qū)動器往往設(shè)計(jì)成偏動式和差動式驅(qū)動器，這類元件尤其適用于可轉(zhuǎn)動的機(jī)器人關(guān)節(jié)。
形狀記記合金還可作為驅(qū)動元件應(yīng)用到智能機(jī)器人中，如形狀記憶合金電機(jī)(SMAA)。溫度升高時，SMA材料發(fā)生形狀回復(fù)，溫度降低時形狀保持不變，借助于輔助元件，將電機(jī)形狀變化轉(zhuǎn)變成位移的變化，可見通過合理控制溫度的升高或降低，SMAA可將熱能(溫度的變化)轉(zhuǎn)變成機(jī)械能(位移的變化)。同時若再輔以一定的偏動或差動裝置，可實(shí)現(xiàn)雙向運(yùn)動。SMAA結(jié)構(gòu)較簡單、易于控制;尺寸較小，易于實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人的微型化;動作連續(xù)可控，易于模仿人類的手臂;同時受溫度及惡劣環(huán)境的影響較小;環(huán)保無污染。形狀記記合金的主要研究方向著眼于從機(jī)械手、機(jī)器人關(guān)節(jié)、手爪的驅(qū)動等。
3.壓電材料
當(dāng)前，智能機(jī)器人可以通過“壓電效應(yīng)”把壓力轉(zhuǎn)換成電信號，從而讓機(jī)器人可以產(chǎn)生觸覺。目前已經(jīng)投入應(yīng)用的新型壓電材料主要有壓電半導(dǎo)體和有機(jī)高分子材料。
(1)壓電半導(dǎo)體
有些晶體既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性，如硫化鋅、氧化鋅、硫化鎬、砷化鈣等。利用其壓電特性可加工成傳感器，半導(dǎo)體特性可加工成電子器件，如果將2者結(jié)合，則可以實(shí)現(xiàn)組件與線路的一體化，制成新型集成壓電傳感器。
(2)有機(jī)高分子壓電材料
一些有機(jī)高分子聚合物，經(jīng)延展拉伸和電極化后所形成的高分子薄膜具有壓電性，如聚氯乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等。獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)是質(zhì)輕柔軟、抗扯強(qiáng)度高、耐沖擊。另外，在高分子化合物中摻雜壓電陶瓷鋯鈦酸鉛或鈦酸鋇制成的高分子壓電薄膜。
4.磁致伸縮材料
所謂磁致伸縮材料是指材料在交變磁場的作用下，一方面會發(fā)生長度的變化，進(jìn)而產(chǎn)生位移，從而將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能;若產(chǎn)生反復(fù)伸長或縮短也即振動，也可將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能。另一方面，該材料若受到拉深、壓縮力的作用改變了其長度，則材料內(nèi)部磁通密度也因此發(fā)生相應(yīng)變化，從而在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。故此為能量與信息轉(zhuǎn)換的功能材料。可將此特性用于智能機(jī)器人進(jìn)行海洋探測。
四、結(jié)語
智能機(jī)器人的時代已經(jīng)開啟，我們夢寐以求的智能時代正一步步向我們走來。我們渴望智能機(jī)器人可以擁有比人類更聰明的大腦，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥⑴袛鄰?fù)雜外界環(huán)境的能力，擁有更堅(jiān)實(shí)的“身體”，更靈活的步伐。而智能機(jī)器人智能的提升離不開機(jī)械學(xué)、力學(xué)、電子學(xué)、生物學(xué)、控制論、人工智能、系統(tǒng)工程、材料學(xué)等多學(xué)科的發(fā)展，其中智能材料的作用功不可沒。如人造皮膚智能材料，不僅可以清晰地分辨出外部環(huán)境的細(xì)微變化如溫度、熱流及各種應(yīng)力大小的變化等，對于表面的一些狀況如粗糙度、摩擦力等也能夠很好地進(jìn)行區(qū)分。智能材料的設(shè)計(jì)、制造、加工等均涉及到了材料學(xué)的最前沿技術(shù)，有待科學(xué)工作者的不斷深入研究與探索。盡管如此，隨著科技發(fā)展相信會有越來越多的智能材料應(yīng)用到智能機(jī)器人中，智能機(jī)器人的智能化程度越來越高，在各行各業(yè)中都可以看到智能機(jī)器人的身影，智能機(jī)器人得到產(chǎn)業(yè)化、批量化的生產(chǎn)。
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