Various actuators (e.g., pneumatics, cables, dielectric elastomers, etc.) have been utilized to actuate soft robots. Besides widely used actuators, a relatively new artificial muscle—twisted-and-coiled actuators (TCAs)—is promising for actuating centimeter-scale soft robots because they are low cost, have a large work density, and can be driven by electricity. However, existing works on TCA-actuated soft robots in general can only generate simple bending motion. The reason is that TCAs fabricated with conventional methods have to be preloaded to generate a large contraction, and thus cannot actuate soft robots properly. In this work, an upgraded technique is presented to fabricate TCAs that can deliver 48% free strokes (contraction without preloading). We first compare the static performance of TCAs with free strokes with conventional TCAs, and then characterize how will the fabrication parameters influence the TCAs' stroke and force capability. After that, we demonstrate that such TCAs can actuate centimeter-scale soft robots with programmable motions (gripping, twisting, and three-dimensional bending). Finally, we combine those motions to demonstrate a soft robotic arm that can perform a pick-and-place task. We expect that TCAs with free strokes can enable miniature soft robots with rich three-dimensional motions for both locomotion and manipulation. Because TCAs are electrically driven, we can also potentially develop untethered soft robots by carrying onboard batteries and control circuits.

中文翻译：

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具有自由行程的扭绕式执行器使软机器人具有可编程运动

各种致动器（例如，气动装置、电缆、介电弹性体等）已被用于驱动软机器人。除了广泛使用的致动器外，一种相对较新的人造肌肉——扭曲和螺旋致动器（TCA）——由于成本低、工作密度大且可以由电力驱动，有望用于驱动厘米级软机器人。然而，现有的关于 TCA 驱动的软机器人的工作通常只能产生简单的弯曲运动。原因是使用传统方法制造的 TCA 必须预先加载以产生较大的收缩，因此无法正确驱动软机器人。在这项工作中，提出了一种升级的技术来制造可以提供 48% 的自由行程（无预紧的收缩）的 TCA。我们首先将 TCA 的静态性能与自由行程与传统 TCA 进行比较，然后描述制造参数将如何影响 TCA 的行程和受力能力。之后，我们证明这种 TCA 可以驱动具有可编程运动（抓取、扭转和三维弯曲）的厘米级软机器人。最后，我们结合这些动作来展示一个可以执行拾取和放置任务的软机械臂。我们预计具有自由行程的 TCA 可以使微型软机器人具有丰富的 3D 运动，用于运动和操纵。由于 TCA 是电力驱动的，我们还可以通过携带车载电池和控制电路来开发不受束缚的软机器人。我们证明了这种 TCA 可以驱动具有可编程运动（抓取、扭转和三维弯曲）的厘米级软机器人。最后，我们结合这些动作来展示一个可以执行拾取和放置任务的软机械臂。我们预计具有自由行程的 TCA 可以使微型软机器人具有丰富的 3D 运动，用于运动和操纵。由于 TCA 是电力驱动的，我们还可以通过携带车载电池和控制电路来开发不受束缚的软机器人。我们证明了这种 TCA 可以驱动具有可编程运动（抓取、扭转和三维弯曲）的厘米级软机器人。最后，我们结合这些动作来展示一个可以执行拾取和放置任务的软机械臂。我们预计具有自由行程的 TCA 可以使微型软机器人具有丰富的 3D 运动，用于运动和操纵。由于 TCA 是电力驱动的，我们还可以通过携带车载电池和控制电路来开发不受束缚的软机器人。我们预计具有自由行程的 TCA 可以使微型软机器人具有丰富的 3D 运动，用于运动和操纵。由于 TCA 是电力驱动的，我们还可以通过携带车载电池和控制电路来开发不受束缚的软机器人。我们预计具有自由行程的 TCA 可以使微型软机器人具有丰富的 3D 运动，用于运动和操纵。由于 TCA 是电力驱动的，我们还可以通过携带车载电池和控制电路来开发不受束缚的软机器人。