在航空發動機和煉油機等復雜系統中，有大量用于輸送水、氣體和油的管道。通常，這些管道具有各種直徑、變化的曲率，并覆蓋較長的距離。為確保它們處于良好的工作狀態，需要定期從外部和內部進行管道檢修。目前已開發的各種管道巡檢機器人包括輪式、腿足式、履帶式等運動機構，多采用電磁電機驅動，適用于大口徑管道的檢測。當涉及到直徑小于一厘米的微細管道時，機器人的尺寸很難按比例縮小。
微型管道機器人在彎曲管道中行進
本項工作提出了一種智能材料驅動的微型管道檢測機器人（重量 2.2 克，長度 47 毫米，直徑 < 10 毫米），可以適應亞厘米直徑和變化曲率的復雜管道。機器人采用高功率密度、長壽命的介電彈性體致動器作為人造肌肉，采用基于智能復合微結構的高效錨固單元作為傳動裝置，使用具有可調節數目的磁單元來快速組裝機器人，以適應不同管道的復雜幾何形狀。通過考慮軟材料的獨特特性（如粘彈性和動態共振）來分析機器人的動態特性，并相應地調整驅動電壓的頻率和相位，以優化機器人的運動速度。這個基于高頻蠕動運動原理的管道機器人由外部的纜線來提供動力，在亞厘米大小的管道中實現了水平和垂直快速運動（速度：1.19 身長 / 秒）。此外，它能夠在不同幾何形狀的管道（變徑管、L 形管、S 形管、螺旋形管等）、不同的填充介質（空氣、油等）和不同材質（玻璃、金屬、碳纖維等）的管道中高速行進。為了驗證其管道檢測能力，機器人正面安裝了一個微型攝像頭，從外部控制該機器人，機器人以不同的速度成功完成了一組管道巡檢任務演示。該技術將來有望在航空發動機管路檢修等領域發揮作用。
該成果以“用于亞厘米級管狀環境導航的管道檢測機器人”（A pipeline inspection robot for navigating tubular environments in the sub-centimeter scale）為題發表在《科學?機器人》（Science Robotics）上。
管道機器人在多介質、多材質、變管徑的復雜管道中行進和探測
論文第一作者為清華大學機械工程系博士后湯超，通訊作者為機械工程系副教授趙慧嬋，其他作者包括機械工程系教授劉辛軍和 2021 級博士生杜伯源、2018 級博士生姜淞文、2019 級碩士生邵琦、2019 級博士生東旭光。該團隊多年來一直專注于機器人領域相關研究。本項工作受到了國家自然科學基金青年基金、面上項目以及共融機器人重大研究計劃等項目的支持。
