Design and development of an electronics-free earthworm robot

📄 arXiv: 2511.01347v1 📥 PDF

作者: Riddhi Das, Joscha Teichmann, Thomas Speck, Falk J. Tauber

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-03

备注: Conference Proceedings Paper Living Machines 2025

DOI: 10.1007/978-3-032-07448-5_15

💡 一句话要点

提出一种无需电子元件的蠕虫机器人，适用于受限和非结构化环境。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 蠕虫机器人 气动驱动 气动逻辑门 无电子元件 蠕动运动 仿生机器人

📋 核心要点

  1. 现有蠕虫机器人依赖笨重的电子控制单元，限制了其在复杂环境中的应用。
  2. 该论文提出一种基于改进气动逻辑门（PLG）的蠕虫机器人，无需电子元件即可实现蠕动。
  3. 实验验证了该机器人能够有效产生蠕动波，实现自主运动，为无电子蠕动机器人提供概念验证。

📝 摘要（中文）

软体机器人系统因其固有的灵活性、适应性和安全性而受到广泛关注，非常适合各种应用。在仿生设计中，蠕虫运动因其高效的蠕动而得到广泛研究，使其能够在受限和非结构化环境中移动。现有的蠕虫机器人主要采用气动驱动，因为其具有较高的力重比和易于实现的特点。然而，这些系统通常依赖于笨重、耗电的电子控制单元，限制了它们的实用性。本文提出了一种无需电子元件、受蠕虫启发的充气机器人，该机器人采用改进的气动逻辑门（PLG）设计。通过将预配置的PLG单元与波纹管致动器集成，我们实现了一种即插即用式的模块化系统，该系统能够在没有外部电子元件的情况下进行蠕动。所提出的设计降低了系统复杂性，同时保持了高效的驱动。我们对不同操作条件下的波纹管致动器进行了表征，并评估了机器人的运动性能。我们的研究结果表明，改进的基于PLG的控制系统有效地产生了蠕动波传播，实现了偏差最小的自主运动。这项研究为开发无需电子元件的蠕动软体机器人提供了一个概念验证。所提出的系统在危险环境中具有应用潜力，在这些环境中，无线、适应性强的运动至关重要。未来的工作将侧重于进一步优化机器人设计，并探索使用车载压缩空气源的无线操作。

🔬 方法详解

问题定义：现有蠕虫机器人通常依赖于气动驱动，但需要笨重且耗电的电子控制单元来实现精确的运动控制。这限制了它们在空间受限或对电子设备敏感的环境中的应用，例如危险品处理或医疗应用。因此，需要一种无需电子元件即可实现蠕动运动的蠕虫机器人。

核心思路：该论文的核心思路是利用气动逻辑门（PLG）来构建一个完全无需电子元件的控制系统。通过巧妙地设计和连接PLG，可以实现对气动波纹管的精确控制，从而模拟蠕虫的蠕动运动。这种方法避免了电子元件的复杂性和功耗，提高了机器人的可靠性和适应性。

技术框架：该蠕虫机器人的整体架构包括以下几个主要模块：1) 气源：提供驱动机器人运动的压缩空气。2) 气动逻辑门（PLG）单元：预先配置的PLG单元，用于控制气流的开关和方向，实现逻辑运算。3) 波纹管致动器：接收PLG单元的控制信号，通过充气和放气产生伸缩运动，模拟蠕虫的肌肉收缩。4) 机器人本体：由多个波纹管致动器串联而成，通过协调控制这些致动器的运动，实现蠕动。

关键创新：该论文最重要的技术创新在于将气动逻辑门（PLG）应用于蠕虫机器人的控制系统，实现了完全无需电子元件的蠕动运动。与传统的电子控制系统相比，该方法具有更高的可靠性、更低的功耗和更强的环境适应性。此外，该论文还对PLG进行了改进，使其更适合控制波纹管致动器。

关键设计：PLG单元的设计是关键。论文中使用了改进的PLG设计，具体细节未知。波纹管致动器的数量和排列方式也影响机器人的运动性能。控制策略方面，通过预先配置PLG单元的连接方式，可以实现特定的蠕动模式。具体的参数设置，例如气压大小、PLG的切换频率等，需要根据实际情况进行调整。

📊 实验亮点

该研究成功地构建了一个无需电子元件的蠕虫机器人，并通过实验验证了其蠕动运动的可行性。实验结果表明，改进的基于PLG的控制系统能够有效地产生蠕动波，实现偏差最小的自主运动。虽然论文中没有给出具体的性能数据，但该研究为开发无需电子元件的软体机器人提供了一个重要的概念验证。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于危险环境下的探测与作业，例如核电站检修、灾难现场搜救等。由于无需电子元件，该机器人对电磁干扰不敏感，可在强电磁场环境下工作。此外，该设计还可用于医疗领域，例如微创手术或药物输送，在人体内部复杂环境中进行操作。未来，通过集成车载气源，可实现完全无线的自主运动。

📄 摘要（原文）

Soft robotic systems have gained widespread attention due to their inherent flexibility, adaptability, and safety, making them well-suited for varied applications. Among bioinspired designs, earthworm locomotion has been extensively studied for its efficient peristaltic motion, enabling movement in confined and unstructured environments. Existing earthworm-inspired robots primarily utilize pneumatic actuation due to its high force-to-weight ratio and ease of implementation. However, these systems often rely on bulky, power-intensive electronic control units, limiting their practicality. In this work, we present an electronics-free, earthworm-inspired pneumatic robot utilizing a modified Pneumatic Logic Gate (PLG) design. By integrating preconfigured PLG units with bellow actuators, we achieved a plug-and-play style modular system capable of peristaltic locomotion without external electronic components. The proposed design reduces system complexity while maintaining efficient actuation. We characterize the bellow actuators under different operating conditions and evaluate the robots locomotion performance. Our findings demonstrate that the modified PLG-based control system effectively generates peristaltic wave propagation, achieving autonomous motion with minimal deviation. This study serves as a proof of concept for the development of electronics-free, peristaltic soft robots. The proposed system has potential for applications in hazardous environments, where untethered, adaptable locomotion is critical. Future work will focus on further optimizing the robot design and exploring untethered operation using onboard compressed air sources.