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微型气泡软体机器人

时间:2021-12-07     作者:文/Patricia Waldron 编译/《中国民商》 李雨蒙【转载】   来自:《中国民商》2021年12期

过去,刚性机器人在机器人领域一直占主导位置,但它天生和柔软脆弱的东西不合拍。软体机器人,是由可延展材料制成的机器人。它可进入和绕行一般硬体机器人无法触达的地方。

近日,美国普林斯顿大学的研究人员利用流体力学的原理研发出了一款气泡铸造的软体机器人。如今生物科技、医学等越来越多的领域都需要干活更加精细的机器人的帮助,相信这一款软体机器人技术在未来会有更大的发展潜力。

在这一全新系统中,研究人员将气泡注入液态聚合物当中使材料凝固,接下来再为这个合成物充气让他可以弯曲并且移动。

普林斯顿大学的研究人员们利用这一方法设计并创造了一双能够抓住摇摆鱼尾的手,还有一个能捡球的像弹簧玩具的线圈。

研究人员希望这种简单多用途的方法可以加速新型软体机器人的发展,这项研究成果发布在《自然》杂志11月刊中。

传统的刚性机器人可以发挥多种用途,比如在制造汽车方面。“但是它们带到的位置会划伤你的手”,普林斯顿大学化学与生物工程助理教授、课题首席研究员 Pierre-Thomas Brun 表示,“因为刚性机器人无法自然地与软形物体联动,比如人类或西红柿。”

软体机器人运用湿软弹性的物质制成,所以非常适用于那些需要温柔触感的应用。它们可以快速应用于农业收割、从传送带上抓取易碎品或是提供个人护理。

与此同时,它们也能应用于健康护理,比如用于康复的可穿戴体外骨骼或是包裹在心脏周围帮助跳动的植入式设备。

设计软体机器人的一大挑战是要控制它们如何伸展和变形、命令它们如何移动。所有的机器人都有一个执行运动的零件叫做制动器。不同于刚性机器人可以依靠关节以固定的方式移动,软体机器人的材料具有以无数种方式移动和伸展的潜能。

实际上,泡泡铸造技术为软体机器人的制动器制造提供了一种简单、灵活的方法,就是使用了流体力学的基本规则—流体物理学。本次研究运用了一种名为合成橡胶的液态聚合物,它可以变成有弹性的橡胶质材料,然后被注入一个像吸管一样简单或是螺旋型更复杂形状的模具中。

接下来,研究人员会向液态合成橡胶中注入空气,通过模具的长度形成一个长泡泡。

由于重力的作用,气泡会慢慢升到顶部而橡胶管道则会下沉到底部。

当橡胶硬化后就会从模具中移除并注入空气,这时气泡较薄的一边就会被撑大,较厚的一边就会卷曲。

“如果在卷曲前有足够的时间排空,气泡顶部的薄膜就会变得更薄。当薄膜越薄,充气时会撑开的越多,最后导致整体的弯曲。” 普林斯顿大学化学与生物工程研究生、论文第一作者Trevor Jones介绍到。

在制造过程中,管状模具在胶凝点旋转 180 度。由此产生的制动器在两个不同的方向弯曲。在制造过程中,一个三段管状模具在凝胶点旋转 180 度和 90 度。由此产生的制动器在三个方向和两个平面上弯曲。

通过控制一些因素,比如合成橡胶覆盖薄膜的厚度,橡胶有多快沉入底部,多久开始弯曲。研究人员就可以命令制动器如何移动。换句话说,这是流体力学在发挥作用。

在此次实验中,研究人员成功将这款软体机器人形成一个星星状的手,温柔地拿取了一颗黑莓。另外,橡胶还卷缩成像肌肉一样的线圈和一排手指,当整个系统充气时,一根一根手指蜷曲起来,就像在弹钢琴。此外,由于受到生物体的启发,软体机器人能够模拟动物和植物运动的连续运动。

本次研究中很大一部分工作是弄清楚机器人充气后的行为,这样研究人员就可以设计具有特定动作的软体驱动器。

合著者Etienne Jambon-Puillet是Brun小组的博士后研究员,他和Jones一起开发了该系统的计算机模拟。

Jambon-Puillet认为:“我们可以用任何一个人都会的简单方程来预测未来会发生什么事。现在我们很清楚,当我们给这些管状材料充气时会发生什么。”

实际上,气泡铸造的一个重要优势是它不需要3D打印机、激光切割机或是其他用于软体机器人的昂贵工具。

这一系统还具有可扩展性。它很有可能生产出几米长、厚度可达100微米的驱动器—几乎与人类头发一样大小。

“而其中最智能的是通过流体力学来塑造结构的这个想法”,瑞士洛桑联邦理工学院的流体力学教授François Gallaire表示,“这一技术适用于不同规模的应用,包括非常小的东西。这是非常令人兴奋的技术突破,因为使用传统制造方法铸造这些软体机器人是非常困难的。”

虽然气泡铸造具有很好的灵活性,但它也有其局限性。“过度膨胀会导致气球爆裂。而失败会是相当的灾难性”,研究人员表示。

接下来,这一小组将使用他们的系统来创建更复杂的制动器并探索新的应用,例如设计能以连续波的形式一起移动的制动器,就像行走的千足虫一样。创建带有腔室的制动器,这些腔室使用单个压力源让它们膨胀,从而模拟人类心脏的跳动,交替收缩和放松。

研究人员还表示,在物理层面上他们对这一技术的理解已经非常深入,现在要开始探索软体机器人在技术上更多的可能性。

 (责任编辑 顾岩娜)

编译自普林斯顿大学网站

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