普林斯頓大學(xué)的研究人員發(fā)明了氣泡鑄造，這是一種使用“花式氣球”制造軟機(jī)器人的新方法，這種氣球在充氣時(shí)會(huì)以可預(yù)測(cè)的方式改變形狀。新系統(tǒng)包括將氣泡注入液體聚合物中，讓材料凝固并膨脹所得裝置，使其彎曲和移動(dòng)。研究人員使用這種方法來(lái)設(shè)計(jì)和創(chuàng)造抓握的手、拍打的魚(yú)尾和收回球的緊身線圈。他們希望他們于11月10日發(fā)表在《自然》雜志上的簡(jiǎn)單而通用的方法將加速新型軟機(jī)器人的開(kāi)發(fā)。

傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人有多種用途，例如制造汽車。“但他們將無(wú)法握住你的手，讓你在不折斷手腕的情況下移動(dòng)到某個(gè)地方，”化學(xué)和生物工程助理教授、該研究的首席研究員皮埃爾-托馬斯·布倫說(shuō)。“它們天生不適合與柔軟的東西互動(dòng)，比如人類或西紅柿。”

軟機(jī)器人使用更柔軟、更靈活的材料，使其成為需要輕觸的應(yīng)用的理想選擇。有一天，它們可能會(huì)被用來(lái)收獲農(nóng)產(chǎn)品、從傳送帶上抓取精致的物品或提供個(gè)人護(hù)理。它們也可能用于醫(yī)療保健，例如用于康復(fù)的可穿戴外裝或環(huán)繞心臟以幫助其跳動(dòng)的植入式設(shè)備。

設(shè)計(jì)軟機(jī)器人的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是控制它們的拉伸和變形方式，這決定了它們?nèi)绾我苿?dòng)。所有機(jī)器人都有引起運(yùn)動(dòng)的組件，稱為執(zhí)行器。與根據(jù)關(guān)節(jié)以固定方式移動(dòng)的剛性機(jī)器人不同，軟機(jī)器人中的材料具有以無(wú)限多種方式移動(dòng)和擴(kuò)展的潛力。

氣泡鑄造提供了一種簡(jiǎn)單、靈活的方法來(lái)使用流體力學(xué)的基本規(guī)則(流體物理學(xué))為軟機(jī)器人創(chuàng)建執(zhí)行器。該方法使用一種稱為彈性體的液體聚合物，該聚合物固化后成為一種橡膠狀的彈性材料。它被注射到一個(gè)簡(jiǎn)單的模具中，如吸管或更復(fù)雜的形狀，如螺旋形或鰭狀肢。接下來(lái)，研究人員將空氣注入液體彈性體中，以在模具的整個(gè)長(zhǎng)度上形成一個(gè)長(zhǎng)氣泡。由于重力，隨著彈性體排到底部，氣泡慢慢上升到頂部。一旦彈性體硬化，就可以將其從模具中取出并用空氣充氣，這會(huì)導(dǎo)致帶有氣泡的薄面在較厚的底座上拉伸和卷曲。

通過(guò)控制一些因素——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固化所需的時(shí)間——研究人員可以決定所產(chǎn)生的致動(dòng)器將如何移動(dòng)。換句話說(shuō)，“流體力學(xué)正在做這項(xiàng)工作，”布倫說(shuō)。

“如果在固化前允許更多的時(shí)間排水，頂部的薄膜會(huì)更薄。薄膜越薄，當(dāng)你給它充氣時(shí)它會(huì)拉伸得越多，并導(dǎo)致更大的整體彎曲，”第一作者、研究生特雷弗·瓊斯解釋說(shuō)?；瘜W(xué)和生物工程專業(yè)的學(xué)生。

研究人員成功地鑄造了輕輕握住黑莓的星形“手”，像肌肉一樣收縮的線圈，甚至在整個(gè)系統(tǒng)膨脹時(shí)一根根卷起的“手指”，就像彈鋼琴一樣。

本文中的致動(dòng)器在充氣時(shí)會(huì)變形，但其他軟機(jī)器人系統(tǒng)會(huì)使用磁場(chǎng)、電場(chǎng)或溫度或濕度的變化。

大部分工作是弄清楚機(jī)器人在充氣后的行為方式，以便研究人員可以設(shè)計(jì)具有特定運(yùn)動(dòng)的軟執(zhí)行器。合著者EtienneJambon-Puillet是Brun小組的博士后研究員，他與Jones合作開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬。

“我們可以使用任何人都可以使用的簡(jiǎn)單方程來(lái)預(yù)測(cè)會(huì)發(fā)生什么，”Jambon-Puillet說(shuō)。“我們現(xiàn)在很清楚當(dāng)我們給這些管狀材料充氣時(shí)會(huì)發(fā)生什么。”

氣泡鑄造的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是它不需要3D打印機(jī)、激光切割機(jī)或其他通常用于軟機(jī)器人的昂貴工具。該系統(tǒng)也是可擴(kuò)展的。它有可能生產(chǎn)出幾米長(zhǎng)的執(zhí)行器，其特征薄至100微米——幾乎和人的頭發(fā)一樣小。

瑞士洛桑EPFL流體動(dòng)力學(xué)教授弗朗索瓦·加萊爾(FrançoisGallaire)沒(méi)有參與這項(xiàng)研究，他說(shuō)：“真正聰明的是這種僅通過(guò)自然流體運(yùn)動(dòng)來(lái)塑造結(jié)構(gòu)的想法。”“這些工藝將在許多不同的規(guī)模上發(fā)揮作用，包括非常小的東西。這很令人興奮，因?yàn)橛玫湫偷闹圃旆椒ㄨT造這些管子可能真的很困難，所以有可能制造出非常小的管子。”

盡管具有靈活性，但氣泡鑄造確實(shí)有其局限性。到目前為止，研究人員已經(jīng)成功地迫使氣泡穿過(guò)僅幾米長(zhǎng)的彈性體填充管。此外，過(guò)度充氣會(huì)導(dǎo)致氣球爆裂。“失敗是相當(dāng)災(zāi)難性的，”瓊斯說(shuō)。

接下來(lái)，該小組將使用他們的系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建更復(fù)雜的執(zhí)行器并探索新的應(yīng)用。他們對(duì)設(shè)計(jì)在連續(xù)波中一起移動(dòng)的執(zhí)行器很感興趣，就像行走的千足蟲(chóng)的雙腳一樣。另一種可能性是創(chuàng)建帶有腔室的執(zhí)行器，這些腔室使用單個(gè)壓力源使它們膨脹，從而模擬人類心臟的跳動(dòng)，交替收縮和放松。

“我們?cè)谖锢韺W(xué)層面非常了解這個(gè)問(wèn)題，”瓊斯說(shuō)，“所以現(xiàn)在可以真正探索機(jī)器人技術(shù)。

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