مروری بر رباتیک نرم مبتنی بر پلیمر و الاستومر، از مواد تا عملگرها، حرکت و ناوبری
الموضوعات : سامانه های پلیمری تحریک پذیر
علی اسمعیلی
1
,
محمد حسین خالصی
2
,
محمدرضا دوستمحمدیان
3
1 - دانشگاه سمنان
2 - دانشگاه سمنان
3 - دانشگاه سمنان
الکلمات المفتاحية: رباتیک نرم, مواد پلیمری و الاستومری, حرکت چندحالته, رباتهای پیوسته, ناوبری خودمختار,
ملخص المقالة :
رباتیک نرم با بهرهگیری از مواد پلیمری و الاستومری، بدنههای پیوسته و انعطافپذیری ذاتی، پارادایم نوینی در اتوماسیون پدید آورده و سازگاری و ایمنی بینظیری در محیطهای پیشبینیناپذیر عرضه میکند. این مرور نظاممند، پیشرفتهای اخیر را از چهار منظر بههمپیوسته واکاوی میکند: مواد و عملگرها، الگوهای حرکتی، راهبردهای ناوبری، و افقهای آینده. نخست، عملگرهای نرم مبتنی بر پلیمر و الاستومر، از پنوماتیکهای الاستومری، الاستومرهای دیالکتریک، پلیمرهای الکترواکتیو یونی، هیدروژلهای پلیمری زیستسازگار، و ماتریسهای پلیمری مغناطیسی، همراه با ساخت افزایشی چندمادهای و پلیمرهای برنامهپذیر با پاسخ ذاتی، بستر یکپارچهسازی حسگری و عملگری را فراهم آورده است. دوم، رباتهای پلیمری و الاستومری با سازوکارهای الهامگرفته از طبیعت، از خزیدن و جهیدن در خشکی با پوستههای الکتروهیدرولیکی، تا شنای ماهیسان با بالههای پلیمری، پیشرانش جت با محفظههای الاستومری، و پرواز بالزن با بالهای انعطافپذیر، توانایی حرکت چندحالته در محیطهای پیچیده را به نمایش میگذارند. سوم، الگوریتمهای مسیریابی، کنترل پیکربندی و حسگری بلادرنگ شکل، رباتهای پیوسته پلیمری را به ناوبری خودمختار و دقیق در محیطهای پرمانع قادر ساختهاند. چالشهای باقیمانده شامل تأمین انرژی بیسیم، توسعه پلیمرهای چندکاره با استحکام، زیستسازگاری و خودترمیمی همزمان، کنترل تطبیقی، و استانداردسازی است. همگرایی رباتیک نرم با هوش مصنوعی و مهندسی پلیمر، نویدبخش نسلی از رباتهاست که مرز میان ماشین و موجود زنده را محو میکنند.
1. Eyvazian, A., Song, Y., Hovhannes, C., Savari, A., & Sawaran Singh, N. S. State-of-the-art soft robotic systems for unstructured and real-world environments: A systematic review. Engineering Science and Technology, an International Journal, 73, 102264. 2025.
2. Liu, J., Cheng, Q., Sun, T., Liu, Z., Xu, J., & Wang, Y. Design, fabrication, and measurement of pneumatic soft actuators: A review. Sensors and Actuators A: Physical, 117326. 2025.
3. Xi, S., Yang, S., Xiang, C., Chen, Y., Niu, Y., Yang, J., & He, X. Advancements and challenges in dielectric elastomer actuator-based biomimetic mobile robots. Sensors and Actuators A: Physical, 116024. 2024.
4. Hasib, S. A., Gulzar, M. M., Oishy, S. R., Maaruf, M., Habib, S., & Shakoor, A. An investigation of innovative strategies in underwater soft robotics. Engineering Science and Technology, an International Journal, 102123. 2025.
5. Ren, L., Li, B., Wei, G., Wang, K., Song, Z., Wei, Y., Ren, L., & Liu, Q. Biology and bioinspiration of soft robotics: Actuation, sensing, and system integration. iScience, 103075. 2021.
6. Miao, Y., Liu, X., Yang, S., & Ma, J. Fabrication of self-sensing soft robots via multi-material digital light processing 3D printing of hydrogels. Materials & Design, 114394. 2025.
7. Arivendan, A., Thangiah, W. J. J., Palanisamy, S., Palaniappan, M., & Karuppiah, G. 3D Printing technologies for soft robotics—an overview. In Sustainable Composites for Automotive Engineering (pp. 295-320). Woodhead Publishing. 2026.
8. Hebner, T. S., White, T. J., Dickey, M. D., Hayward, R. C., & Ware, T. H. Programmable soft matter: Shaping function. Matter, 9(1), 102526. 2026.
9. Chen, Z., Chen, J., Jung, S., Kim, H.-Y., Lo Preti, M., Laschi, C., Ren, Z., Sitti, M., Full, R. J., & Yang, G.-Z. Bioinspired and biohybrid soft robots: Principles and emerging technologies. Matter, 8(4), 102045. 2025.
10. Yang, X., Leanza, S., Ze, Q., & Zhao, R. R. Electromagnetic-stimulated untethered amphibious soft robot with multimodal locomotion. Materials Today, 2025.
11. Zhong, S., Nie, R., Zheng, Z., Hou, Y., Shi, Q., Huang, Q., Fukuda, T., & Wang, H. Magnetically controlled multimodal motion for environmentally adaptive soft millirobots with transformable wheel-leg morphology. The Innovation, 101146. 2025.
12. Tang, Y., Liu, C., Ma, X., Zhang, L., & Wang, J. Inchworm-inspired climbing robot for steel structures with three bionic operating modes. Automation in Construction, 106665. 2025.
13. Zolfagharian, A., Kaynak, A., & Kouzani, A. Closed-loop 4D-printed soft robots. Materials & Design, 108411. 2019.
14. Sun, L., Li, Z., Zhang, Y., Lu, Y., & Zhang, S. Stimuli-responsive shape-morphing soft actuators: metrics, materials, mechanism, design and applications. Progress in Materials Science, 155, 101531. 2025.
15. Dayyoub, T., Zadorozhnyy, M., Ladokhin, D. G., Askerov, E., Filippova, K. V., Iudina, L. D., Iushina, E., Telyshev, D. V., & Maksimkin, A. Ionic Electroactive Polymers as Renewable Materials and Their Actuators: A Review. Journal of Renewable Materials, 13(7), 1267–1292. 2025.
16. Deng, J., Ren, M., Dong, L., Li, W., & Di, J. Recent progress and challenges of electrochemical artificial muscle fiber. Materials Today, 2025.
17. Li, P., Chen, Y., Lin, X., Ye, C., Zhang, J., Fang, D., & Liang, C. A survey on magnetically driven continuum robots for biomedical application. Robotics and Autonomous Systems, 105316. 2025.
18. Li, B., Xu, N., Liu, H., Li, R., Zhang, Y., Zhang, Y., Wu, R., Lyu, Y., & Liu, X. Magnetic robotization in clinic medicine: A review. Magnetic Medicine, 1(3), 100037. 2025.
19. Li, C., Pan, K., Xu, Q., & Chen, H. Research progress in bioinspired hydrogel actuators: From structural design to actuation mechanisms, performance optimization, and applications. Materials Today Chemistry, 102917. 2025.
20. Fei, G., Zhang, S., Li, Y., Peng, M., Tang, Z., Gu, X., Li, X., Zhang, K., Xie, J., Ni, Y., Zhou, K., & Tu, M. Emerging soft medical robots for clinical translations from diagnosis through therapy to rehabilitation. Materials Science and Engineering: R: Reports, 165, 100990. 2025.
21. Li, Y., Zhang, C., Zhang, Q., Guo, J., Yang, L., Liang, W., & Liu, L. Construction and control of bio-syncretic robots actuated by living materials. Biomimetic Intelligence and Robotics, 5(4), 100263. 2025.
22. Kim, S., & Cha, Y. A soft crawling robot with a modular design based on electrohydraulic actuator. iScience, 26(5), 106726. 2023.
23. Hu, X., Ge, Z., Wang, X., Jiao, N., Tung, S., & Liu, L. Multifunctional thermo-magnetically actuated hybrid soft millirobot based on 4D printing. Composites Part B: Engineering, 228, 109451. 2022.
24. Yu, Z., Duan, A., Zhu, Z., & Zhang, W. Biomimetic soft-legged robotic locomotion, interactions and transitions in terrestrial, aquatic and multiple environments. Sustainable Materials and Technologies, 40, e00930. 2024.
25. Ji, Q., Fu, S., Tan, K., Thorapalli Muralidharan, S., Lagrelius, K., Danelia, D., Andrikopoulos, G., Wang, X. V., Wang, L., & Feng, L. Synthesizing the optimal gait of a quadruped robot with soft actuators using deep reinforcement learning. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 102382. 2022.
26. Park, J.-S., Ki, K., Lee, A., Sun, J.-Y., & Kim, H.-Y. Snap inflatable modular metastructures for multipath, multimode morphing machines. Cell Reports Physical Science, 6(2), 102448. 2025.
27. Li, M., Zhang, H., Fang, W., Wu, J., & Feng, X.-Q. Directional soft jumper by harnessing asymmetric snapping of a semi-open shell. Extreme Mechanics Letters, 102242. 2024.
28. Yang, P., Gao, L., Huang, R., Xiong, Y., Mao, Y., Huang, F., & Dang, F. Rolling mechanism and performance of a soft robot driven by local curvature loading. Robotics and Autonomous Systems, 105212. 2025.
29. Ju, Y., Hu, R., Xie, Y., Yao, J., Li, X., Lv, Y., Han, X., Cao, Q., & Li, L. Reconfigurable magnetic soft robots with multimodal locomotion. Nano Energy, 106169. 2021.
30. Wang, P., Liu, X., & Song, A. Actuation and Locomotion of Miniature Underwater Robots: A Survey. Engineering, 51, 195–214. 2025.
31. Koiri, M. K., Sharma, A. K., Jha, A., & Kumar, J. A comprehensive review of bio-inspired swimming in robotic fishes. Sensors and Actuators A: Physical, 116913. 2025.
32. Shao, H., Lin, C., Yang, Z., Deng, L., Yang, J., He, X., & Xie, F. Variable Stiffness Structures in Biomimetic Robotic Fish: A Review of Mechanisms, Applications, and Challenges. Biomimetics, 11, 219. 2026.
33. Wu, M., Afridi, W. H., Wu, J., Afridi, R. H., Wang, K., Zheng, X., Wang, C., & Xie, G. Octopus-Inspired Underwater Soft Robotic Gripper with Crawling and Swimming Capabilities. Research, 2024.
34. Nayak, A., Seo, H., Gravish, N., & Tolley, M. T. Burrowing and unburrowing in submerged granular media through fluidization and shape-change. Frontiers in Robotics and AI, 12, 1546407. 2025.
35. Li, K., Zhang, H., Chen, Z., Li, L., Chen, S., & Zhang, L. Reconfigurable underwater robots with dual-jet piezoelectric synthetic jet thrusters. International Journal of Mechanical Sciences, 300, 110510. 2025.
36. Hashim, H. A. From insects to bio-inspired Micro Flapping Wing Aerial Vehicles Intelligent Flight: A review, design principles, and future prospects. Defence Technology, 100114. 2026.
37. Liu, F., Terakawa, T., Liang, Z., & Komori, M. A Self-Locking Tendon-Driven Robotic Arm Inspired by Cubic Origami. Mechanism and Machine Theory, 106230. 2025.
38. Flores, G., & Spong, M. W. The Soft-PVTOL: Modeling and control. Robotics and Autonomous Systems, 104925. 2025.
39. Zhu, H., Zhang, W., & Sun, J. Multimodal bioinspired flapping-wing vehicle (M−bioFMAV): Design and aerodynamic optimization for agricultural plant protection in greenhouses. Computers and Electronics in Agriculture, 111261. 2025.
40. Lin, B., Song, S., & Wang, J. Variable stiffness methods of flexible robots for minimally invasive surgery: A review. Biomimetic Intelligence and Robotics, 4(3), 100168. 2024.
41. Pan, Q., Wang, H., Feng, Y., Guo, S., & Luo, J. RRT-based CPC: A configuration planning method for continuum robots using Rapidly-exploring Random Tree algorithm. Robotics and Autonomous Systems, 195, 105190. 2025.
42. Pan, M., Ma, C., Wang, K., Su, Y., Zhang, Z., Li, M., & Liang, K. A systematic review of autonomous navigation strategies in robot-assisted interventional surgery. Applied Soft Computing, 186, 114141. 2026.
43. Wang, J., Bi, C., Liu, F., & Shan, J. Dubins-RRT* motion planning algorithm considering curvature-constrained path optimization. Expert Systems with Applications, 128390. 2025.
44. Zhang, Y., Zhang, J., Jin, T., Ma, G., Chen, L., & Li, L. IMU-based fusion shape network for shape sensing in continuum robot. Sensors and Actuators A: Physical, 117630. 2026.
