這是一只可輕輕拿起水果的星形“手指”。

這是一條正在翻轉(zhuǎn)尾巴的小魚。

這是一根根彎曲的“手指”，就像彈鋼琴一樣。

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。相關(guān)論文以《泡泡鑄造軟機(jī)器人》為題發(fā)表。

此前軟體機(jī)器人：成本高昂、任務(wù)執(zhí)行不夠完美

所有機(jī)器人都需要一個可引起運(yùn)動的部件，也叫作執(zhí)行器。剛性機(jī)器人是根據(jù)關(guān)節(jié)以固定方式進(jìn)行移動，而軟體機(jī)器人在移動方式上，具有更多想象力。

軟體機(jī)器人，是由可延展材料制成的機(jī)器人。它可進(jìn)入和繞行一般硬體機(jī)器人無法觸達(dá)的地方。設(shè)計(jì)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(jī)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)行的效果往往會讓任務(wù)實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)以及效果大打折扣 。

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

而文章開頭去動圖中的軟體機(jī)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《自然》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(tuán)隊(duì)完成，這是一種使用“花式氣球”法來制造軟體機(jī)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(dāng)給它施加空氣時還可以單獨(dú)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(dāng)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(dāng)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，在給它充氣時就能拉伸得越多，進(jìn)而可形成更大的整體彎曲。

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(xué)。

另外該系統(tǒng)也是可擴(kuò)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(xì)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(jī)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(tuán)隊(duì)把大量時間花在弄清楚機(jī)器人充氣后的行為方式，為的是設(shè)計(jì)出具有特定運(yùn)動特征的軟體驅(qū)動器，以及能用一種任何人都能學(xué)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在彎曲系數(shù)方面也強(qiáng)于多數(shù)充氣執(zhí)行器。

泡泡鑄造的一個主要優(yōu)點(diǎn)在于其成本優(yōu)勢，它不需要3D打印機(jī)、激光切割機(jī)或其他通常用于軟體機(jī)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(jī)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(jī)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。

不過，這種制造方法仍有需要克服的挑戰(zhàn)，例如需要防止設(shè)備充氣過度時、以避免發(fā)生爆裂。目前，泡泡鑄造只在幾米高的彈性體填充管中取得了成功，過度膨脹會導(dǎo)致它爆裂，一旦失敗結(jié)局將是災(zāi)難性的。

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(jī)械部件相比，這種對連續(xù)介質(zhì)機(jī)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(shí)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(xué)的基本規(guī)則，也就是使用流體物理學(xué)來給軟體機(jī)器人創(chuàng)建執(zhí)行器。

美國西北大學(xué)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(xué)工程學(xué)院博士楊溢分析稱，該研究的重點(diǎn)不在于所制作的軟體機(jī)器人本身，而在于制作方法。此方法不僅簡單，并且可實(shí)現(xiàn)常規(guī)方法很難實(shí)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(xué)的原理，設(shè)計(jì)了簡單且精確的制作方法去制作氣壓驅(qū)動的軟體機(jī)器構(gòu)件。

袁航也認(rèn)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(xiàng)研究也詳細(xì)闡述了彈性體截面形狀形成的機(jī)理。

未來將研發(fā)“千足蟲”機(jī)器人

傳統(tǒng)的硬體機(jī)器人雖然有很多用途，但它們由于堅(jiān)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(jiān)硬外殼的機(jī)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(jī)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(yùn)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(jī)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(jī)器人，從而實(shí)現(xiàn)新功能。

概括來說，這種獨(dú)特的柔軟和生物運(yùn)動的結(jié)合，使軟體機(jī)器人在各種創(chuàng)新應(yīng)用中十分有吸引力。此外，在建模、計(jì)算和制造方面的最新技術(shù)推動下，軟體機(jī)器人的設(shè)計(jì)、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(jìn)一步開發(fā)新的軟體機(jī)器人，比如可像千足蟲那樣、以連續(xù)的波一起移動的機(jī)器人，或者以類似于人類心臟一樣從單一壓力來源進(jìn)行收縮和放松的機(jī)器人。

研究人員表示：“隨著在物理學(xué)層面對于該問題的了解越來越充分，我們認(rèn)為是時候去真正探索機(jī)器人技術(shù)了。” （綜合整理報(bào)道）