筷子是15亿人每天用来夹起不同大小和形状的食物的流行工具。由于使用筷子需要复杂的肌肉控制，所以对于不熟练的人来说很难使用。 在本研究中，研制了一种使用新型软执行器的筷子机器人。首先，研究人员研制了一种x型软执行器，并对其性能进行了测试。当对执行器施加电压时，产生的静电力减少了X形状的间隙。相反，当电源关闭时，执行器由于材料的弹性恢复了原来的形状。研究人员在筷子之间安装了x形的软驱动器。筷子机器人通过输入电压控制，在开关状态下可以拾取各种物体，在关闭状态下可以释放物体。  研究人员测试了筷子机器人的性能，分析了作用在筷子上的力。这个机器人可以用来捡起各种物体。此外，x形驱动器可以适应使用在各种研究，通过不同的形状和配置。

 相关论文以题为“     Chopstick Robot Driven by X-shaped Soft Actuator    ”发表在《     Actuators    》上。

筷子是东方文化中用来夹取食物的一种常见而简单的工具。每天至少有15亿人使用筷子。与叉子相比，筷子使用户可以夹起各种各样的食物。有经验的人不管筷子的大小和硬度如何，都能用手指正确地移动食物。使用筷子有几种方法。通常，当人们使用筷子时，他们通过拇指和食指之间的空间(图1)。一根筷子夹在拇指和食指之间的夹角上，由无名指支撑。另一根筷子夹在中指和食指之间，由拇指支撑。通过后一根筷子的运动，筷子的尖端被打开和关闭。

 图1.移动筷子的照片:(a)当筷子的尖端被打开时，(b)当它们被关上时。

 许多不同种类的聚合物材料被用于软执行器，其中硅酮被广泛应用于包括执行器在内的许多软机器人部件。硅酮具有很高的柔韧性，平均杨氏模量为68.9 kPa, 100%应变时的拉伸强度，泊松比为0.499。由于执行器的高弹性，当执行器恢复到初始状态时，不需要额外的力。此外，由于硅酮对人体无害，硅酮广泛用于手术材料和日常用品中。因此，研究人员使用电场驱动的EAP驱动器。

利用这种材料，研究人员为筷子机器人制作了x形的软执行器。具体来说，X形状是由两个半椭圆与曲面结合设计的。为了使用电场来控制执行器，导电胶带附着在x型硅树脂的表面。此外，x型硅酮结构由于其弹性，活化后可以恢复。

 x形传动装置制造

 x型驱动器的制作模具是使用Solidworks软件设计的。 设计模具由主要部件和支撑件材料与3D打印机(图2a)组成。打印完成后，模具在对流炉中以60℃的温度加热6小时，以熔化支撑材料。然后将融化的支架完全从模具中取出，将模具放入超声波清洗机的油浴中(韩国首尔Sae Han超声波公司)(图2b)。在清洗和干燥后，将脱模剂喷在模具表面，以防止硅树脂粘在模具上。将喷射出的脱模剂在24℃下干燥2 h。

模具制作完成后，硅树脂被制作成x型结构。首先，Ecoflex 0030 part A 和一个铂硅固化促进剂按照制造商指南以1:1:0.04的比例适当混合。混合物用真空吸尘器吸去气泡。然后，将其慢慢倒入模具，在大约24℃的温度下固化2小时(图2c)。x型试样凝固后，用镊子将其与模具小心分离(图2d)。

 图2.x型致动器制作原理图:(a)用3D打印机制作设计的模具，(b)打印模具，(c)将硅胶混合物倒入模具中凝固，(d)完成x型硅胶制作。

2.5厘米×1厘米碳导电胶带(安全卫生EM有限公司,东京,日本)在曲面的右半部分的硅胶线(图3)。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜和铜带切成大小是7厘米×2厘米,5厘米×1厘米,分别。然后，在铜带的顶部和底部覆盖两层PET薄膜。研究人员把电线连接到铜带上以提供输入电压。两个带有PET薄膜的铜带被连接在x型硅树脂的顶部和底部。

 图3.x形致动器结构。硅酮上的碳带连接到输入电压的(+)上，周围的铜带连接到输入电压的(-)上，产生静电力。在两者之间，两个电极被聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜堵塞。

 X形执行器的运动

当向X形执行器中的铜带和碳带施加电压时，会产生静电吸引。为了清楚地比较打开状态和关闭状态之间的间隙，研究人员在X形致动器的整个长度上连接了一条碳带（图4）。结果，碳带和铜带之间的距离减小，并且X形致动器的总高度降低。当研究人员将X形致动器放在地面上并施加电压时，碳带和铜带之间的间隙比原始高度减少了约5毫米。相反，当关闭电源时，X形致动器的弹性使其立即恢复到原始形状。

 图4. X形致动器的运动：（a）没有电压输入的原始形状，以及（b）施加电压差时的收缩形状。

    结论  

 在本研究中，研究人员设计并制造了一个筷子机器人，它采用了一个x形驱动器，由静电力和弹性驱动。为了合上筷子的尖端，研究人员使用了静电力。 为了打开筷子的尖端，利用了x形驱动器的弹性。对于筷子机器人来说，筷子尖端的开启力和闭合力之间的平衡是非常重要的。如果软执行器的弹性太大，静电力就无法克服弹性力，筷子就无法合上。另一方面，如果弹性太小，筷子不能立即恢复到原来的形状。通过简单的理论分析计算了静电力和弹性力。研究人员也用理论计算研究了参数的影响。最后，研究人员演示了筷子机器人可以成功的拾取各种物体。对x型驱动器的动力学进行理论建模和仿真研究将是研究人员今后的工作方向。

 x形驱动器可以用来控制两个平行面板的距离。通常情况下，它可以应用于具有类似筷子的机制的钳子上。近年来，包括半导体制造在内的各个领域都在研究如何在不损伤的情况下抓取和移动细小易碎的材料。x形驱动器的抓取力可以根据目标样品的大小或形状进行控制。特别是，如果所有的夹具部件都换成柔软的材料，他们将能够专门携带小而易碎的物体。此外，x形驱动器可以作为阀门来控制流体的流动，因为它可以管理两个平行面板的距离和角度。