“花式氣球”啟發(fā)一篇 Nature 封面論文，科學(xué)家開(kāi)發(fā)流體力學(xué)驅動(dòng)的機器人，無(wú)機械加工可節約高昂機器成本
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它們外觀(guān)不同，但卻使用了同一技術(shù)——“花式氣球”泡泡鑄造法。11 月 10 日，相關(guān)論文以《泡泡鑄造軟機器人》（Bubble casting soft robotics）為題發(fā)表在 Nature 上，并成為當期封面論文。
所有機器人都需要一個(gè)可引起運動(dòng)的部件，也叫作執行器。剛性機器人是根據關(guān)節以固定方式進(jìn)行移動(dòng)，而軟體機器人在移動(dòng)方式上，具有更多想象力。
軟體機器人，是由可延展材料制成的機器人。它可進(jìn)入和繞行一般硬體機器人無(wú)法觸達的地方。設計時(shí)的最大困難在于控制拉伸方式和變形方式，這決定著(zhù)它的移動(dòng)方式。
盡管它的應用前景不錯，但目前許多軟體機器人的柔軟 “身體” 卻不得不被剛性驅動(dòng)器來(lái)驅動(dòng)，任務(wù)執行的效果往往會(huì )任務(wù)實(shí)現的目標以及效果大打折扣 。
為構建更實(shí)用的軟體機器人，已有科研團隊開(kāi)發(fā)出軟體驅動(dòng)器，來(lái)讓機器人完全實(shí)現軟體化。但此前要想實(shí)現這一目的，通常需要 3D 打印機、或激光切割機等昂貴設備。
而文章開(kāi)頭動(dòng)圖中的軟體機器人，搭載了科學(xué)家最新發(fā)明的新技術(shù)——“花式氣球”泡泡鑄造法，上述難題也借此被攻克。
“花式氣球”啟發(fā)一篇 Nature 封面論文
該研究由普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程系的團隊完成，這是一種使用“花式氣球”法來(lái)制造軟體機器人的新方法。在充氣時(shí)，氣球能以可預測的方式改變自身形狀。
以可握住水果的軟體手指為例，這是能像肌肉一樣收縮的手指，當給它施加空氣時(shí)還可以單獨彎曲。
研究中，將氣泡注入液態(tài)聚合物、也就是橡膠之中，以便在模具的整個(gè)長(cháng)度上形成一個(gè)長(cháng)氣泡。一旦聚合物凝固，它就可以彎曲、移動(dòng)和抓住東西。然后。隨著(zhù)彈性體由于重力作用漸漸沉入到底部，氣泡則會(huì )慢慢上升到頂部。
然后向氣泡頂部周?chē)谋∧こ錃?，隨著(zhù)薄膜尺寸的增加，氣泡就會(huì )包裹在硬底部的周?chē)?/strong>也就是說(shuō)隨著(zhù)氣泡上升，一層彈性體薄膜便留在其上方，但大部分液態(tài)彈性體最終會(huì )落入下方。
具體來(lái)說(shuō)，泡泡鑄造技術(shù)利用了流體的物理特性。在制造過(guò)程中，使用管狀物或螺旋狀物作為模具，將空氣泵入液態(tài)聚合物中就可產(chǎn)生氣泡，當聚合物凝固時(shí)，氣泡則會(huì )漂浮到頂部。一旦這些彈性體硬化，就可將其從模具中取出、并向其充氣。其中貼近氣泡一側的薄面，會(huì )在較厚的底座上拉伸并卷曲。
當液態(tài)聚合物被注入到模具中，模具的形狀可以十分簡(jiǎn)單比如管狀，也可以十分復雜，比如螺旋狀物或其他更復雜的形狀。
如果在液體聚合物固化前留有更多的時(shí)間，最終形成的頂部薄膜可以更薄。薄膜越薄，在給
通過(guò)控制相關(guān)因素，例如涂在模具上的彈性體的厚度、彈性體沉降到底部的速度、以及液態(tài)聚合物固化所需的時(shí)間等，即可控制所生產(chǎn)出來(lái)的致動(dòng)器將如何移動(dòng)。也就是說(shuō)，這一移動(dòng)取決于流體力學(xué)。
另外該系統也是可擴展的，它既能生產(chǎn)出幾米長(cháng)的執行器，也可以生產(chǎn)出薄至 100 微米，幾乎和人的頭發(fā)一樣細的執行器。
并且，執行器在充氣時(shí)會(huì )變形。相比之下，其他軟體機器人系統則通常會(huì )使用磁場(chǎng)、電場(chǎng)、溫度或濕度變化來(lái)讓執行器產(chǎn)生變形。
在該工作中，該團隊把大量時(shí)間花在弄清楚機器人充氣后的行為方式，為的是設計出具有特定運動(dòng)特征的軟體驅動(dòng)器，以及能用一種任何人都能學(xué)會(huì )的簡(jiǎn)單方程來(lái)預測會(huì )接下來(lái)將會(huì )發(fā)生什么。
特別值得注意的是，研究中出現的薄膜，可以?xún)?yōu)化偏心空隙拓撲結構，在彎曲系數方面也強于多數充氣執行器。
泡泡鑄造的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)在于其成本優(yōu)勢，它不需要 3D 打印機、激光切割機或其他通常用于軟體機器人生產(chǎn)所需的價(jià)格昂貴的工具。除了空氣之外，這些軟體機器人還可通過(guò)磁性、電流或溫度和濕度的變化來(lái)激活。
這些新功能將在軟物質(zhì)通信系統中產(chǎn)生較大反響，可讓下一代機器人材料更容易移動(dòng)，并可以與環(huán)境交互，同時(shí)又能讓其復雜性保持在易處理的水平。
研究人員表示，泡泡鑄造是一種無(wú)粘合的制造方法，它依賴(lài)于流體流動(dòng)、而非內部模板來(lái)構建空隙。與機械部件相比，這種對連續介質(zhì)機械的依賴(lài)，使得各種尺寸的軟氣動(dòng)執行器的無(wú)缺陷制造、以及之前不可能實(shí)現的長(cháng)寬比成為可能。
整體來(lái)說(shuō)，泡泡鑄造技術(shù)提供了一種簡(jiǎn)單、靈活的方法，即使用流體力學(xué)的基本規則，也就是使用流體物理學(xué)來(lái)給軟體機器人創(chuàng )建執行器。
美國西北大學(xué)應用物理專(zhuān)業(yè)博士生袁航表示，該研究將空氣注入到由液態(tài)向固態(tài)轉變過(guò)程中的彈性體，思路非常巧妙。此外，還可穩定制備出由氣壓驅動(dòng)的各種柔性驅動(dòng)元件。
美國波士頓大學(xué)工程學(xué)院博士楊溢分析稱(chēng)，該研究的重點(diǎn)不在于所制作的軟體機器人本身，而在于制作方法。此方法不僅簡(jiǎn)單，并且可實(shí)現常規方法很難實(shí)現的效果。傳統制作方法是模具澆筑，而該研究則利用流體力學(xué)的原理，設計了簡(jiǎn)單且精確的制作方法去制作氣壓驅動(dòng)的軟體機器構件。
袁航也認為，該方法不涉及復雜的制備過(guò)程，可由特定形狀模具、去大規模地制備各種柔性驅動(dòng)元件。此外，這項研究也詳細闡述了彈性體截面形狀形成的機理。
傳統的硬體機器人雖然有很多用途，但它們由于堅硬的外殼，給人的印象總是不太溫和，功能也比較受限。
比如，有著(zhù)堅硬外殼的機器人無(wú)法做到握住你的手、并帶著(zhù)你移動(dòng)，而且它們尤其不適合與柔軟的東西互動(dòng)，例如西紅柿等。
相比之下，軟體機器人在這一領(lǐng)域大有用武之地，它們可能會(huì )用于收獲農產(chǎn)品、從傳送帶上抓取精致的物品，以及作為可穿戴運動(dòng)緊身衣、或皮下設備的一部分來(lái)幫助心臟病患者。
研究人員希望通過(guò)對復雜執行器的組裝，并借助該方法的靈活性、魯棒性和預測性，可加速軟體機器人的開(kāi)發(fā)，例如開(kāi)發(fā)出長(cháng)形、曲折或血管結構的各種軟體機器人，從而實(shí)現新功能。
概括來(lái)說(shuō)，這種獨特的柔軟和生物運動(dòng)的結合，使軟體機器人在各種創(chuàng )新應用中十分有吸引力。此外，在建模、計算和制造方面的最新技術(shù)推動(dòng)下，軟體機器人的設計、編程和組裝也將迎來(lái)更多可能。
接下來(lái)，研究人員希望利用該方法進(jìn)一步開(kāi)發(fā)新的軟體機器人，比如可像千足蟲(chóng)那樣、以連續的波一起移動(dòng)的機器人，或者以類(lèi)似于人類(lèi)心臟一樣從單一壓力來(lái)源進(jìn)行收縮和放松的機器人。
研究人員表示：“隨著(zhù)在物理學(xué)層面對于該問(wèn)題的了解越來(lái)越充分，我們認為是時(shí)候去真正探索機器人技術(shù)了?！?/span>
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