“花式氣球”啟發(fā)一篇 Nature 封面論文，科學家開發(fā)流體力學驅(qū)動的機器人，無機械加工可節(jié)約高昂機器成本

它們外觀不同，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可引起運動的部件，也叫作執(zhí)行器。剛性機器人是根據(jù)關(guān)節(jié)以固定方式進行移動，而軟體機器人在移動方式上，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。它可進入和繞行一般硬體機器人無法觸達的地方。設(shè)計時的最大困難在于控制拉伸方式和變形方式，這決定著它的移動方式。

盡管它的應(yīng)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(qū)動器來驅(qū)動，任務(wù)執(zhí)行的效果往往會任務(wù)實現(xiàn)的目標以及效果大打折扣 。

為構(gòu)建更實用的軟體機器人，已有科研團隊開發(fā)出軟體驅(qū)動器，來讓機器人完全實現(xiàn)軟體化。但此前要想實現(xiàn)這一目的，通常需要 3D 打印機、或激光切割機等昂貴設(shè)備。

而文章開頭動圖中的軟體機器人，搭載了科學家最新發(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化學與生物工程系的團隊完成，這是一種使用“花式氣球”法來制造軟體機器人的新方法。在充氣時，氣球能以可預(yù)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，以便在模具的整個長度上形成一個長氣泡。一旦聚合物凝固，它就可以彎曲、移動和抓住東西。然后。隨著彈性體由于重力作用漸漸沉入到底部，氣泡則會慢慢上升到頂部。

然后向氣泡頂部周圍的薄膜充氣，隨著薄膜尺寸的增加，氣泡就會包裹在硬底部的周圍。也就是說隨著氣泡上升，一層彈性體薄膜便留在其上方，但大部分液態(tài)彈性體最終會落入下方。

具體來說，泡泡鑄造技術(shù)利用了流體的物理特性。在制造過程中，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，氣泡則會漂浮到頂部。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(cè)的薄面，會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單比如管狀，也可以十分復(fù)雜，比如螺旋狀物或其他更復(fù)雜的形狀。

如果在液體聚合物固化前留有更多的時間，最終形成的頂部薄膜可以更薄。薄膜越薄，在給

通過控制相關(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間等，即可控制所生產(chǎn)出來的致動器將如何移動。也就是說，這一移動取決于流體力學。

另外該系統(tǒng)也是可擴展的，它既能生產(chǎn)出幾米長的執(zhí)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(zhí)行器。

并且，執(zhí)行器在充氣時會變形。相比之下，其他軟體機器人系統(tǒng)則通常會使用磁場、電場、溫度或濕度變化來讓執(zhí)行器產(chǎn)生變形。

在該工作中，該團隊把大量時間花在弄清楚機器人充氣后的行為方式，為的是設(shè)計出具有特定運動特征的軟體驅(qū)動器，以及能用一種任何人都能學會的簡單方程來預(yù)測會接下來將會發(fā)生什么。

特別值得注意的是，研究中出現(xiàn)的薄膜，可以優(yōu)化偏心空隙拓撲結(jié)構(gòu)，在彎曲系數(shù)方面也強于多數(shù)充氣執(zhí)行器。

泡泡鑄造的一個主要優(yōu)點在于其成本優(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)所需的價格昂貴的工具。除了空氣之外，這些軟體機器人還可通過磁性、電流或溫度和濕度的變化來激活。 

這些新功能將在軟物質(zhì)通信系統(tǒng)中產(chǎn)生較大反響，可讓下一代機器人材料更容易移動，并可以與環(huán)境交互，同時又能讓其復(fù)雜性保持在易處理的水平。

研究人員表示，泡泡鑄造是一種無粘合的制造方法，它依賴于流體流動、而非內(nèi)部模板來構(gòu)建空隙。與機械部件相比，這種對連續(xù)介質(zhì)機械的依賴，使得各種尺寸的軟氣動執(zhí)行器的無缺陷制造、以及之前不可能實現(xiàn)的長寬比成為可能。

整體來說，泡泡鑄造技術(shù)提供了一種簡單、靈活的方法，即使用流體力學的基本規(guī)則，也就是使用流體物理學來給軟體機器人創(chuàng)建執(zhí)行器。

美國西北大學應(yīng)用物理專業(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(zhuǎn)變過程中的彈性體，思路非常巧妙。此外，還可穩(wěn)定制備出由氣壓驅(qū)動的各種柔性驅(qū)動元件。

美國波士頓大學工程學院博士楊溢分析稱，該研究的重點不在于所制作的軟體機器人本身，而在于制作方法。此方法不僅簡單，并且可實現(xiàn)常規(guī)方法很難實現(xiàn)的效果。傳統(tǒng)制作方法是模具澆筑，而該研究則利用流體力學的原理，設(shè)計了簡單且精確的制作方法去制作氣壓驅(qū)動的軟體機器構(gòu)件。

袁航也認為，該方法不涉及復(fù)雜的制備過程，可由特定形狀模具、去大規(guī)模地制備各種柔性驅(qū)動元件。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(tǒng)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，有著堅硬外殼的機器人無法做到握住你的手、并帶著你移動，而且它們尤其不適合與柔軟的東西互動，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，它們可能會用于收獲農(nóng)產(chǎn)品、從傳送帶上抓取精致的物品，以及作為可穿戴運動緊身衣、或皮下設(shè)備的一部分來幫助心臟病患者。

研究人員希望通過對復(fù)雜執(zhí)行器的組裝，并借助該方法的靈活性、魯棒性和預(yù)測性，可加速軟體機器人的開發(fā)，例如開發(fā)出長形、曲折或血管結(jié)構(gòu)的各種軟體機器人，從而實現(xiàn)新功能。

概括來說，這種獨特的柔軟和生物運動的結(jié)合，使軟體機器人在各種創(chuàng)新應(yīng)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)推動下，軟體機器人的設(shè)計、編程和組裝也將迎來更多可能。

接下來，研究人員希望利用該方法進一步開發(fā)新的軟體機器人，比如可像千足蟲那樣、以連續(xù)的波一起移動的機器人，或者以類似于人類心臟一樣從單一壓力來源進行收縮和放松的機器人。

研究人員表示：“隨著在物理學層面對于該問題的了解越來越充分，我們認為是時候去真正探索機器人技術(shù)了。”

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