澎湃新聞記者 劉航
充入空氣時，軟機器人能夠抓取並舉起一個球
普林斯頓大學的研究者創造性地發明了“氣泡鑄造”法，這是一種使用花式“氣球”製造軟機器人的新方法，這些花式氣球在充氣時會以可預測的方式改變形狀。他們用這種方法來設計和創造可抓握的“手”、能拍打的“魚尾”和能抓回球的細長線圈。
在某一天，它們會被用來採摘農產品、在傳送帶上小心地抓取物品，或為人類提供個人護理。它們也可能被用於醫療，例如可穿戴康復套裝、幫助心臟跳動的植入式裝置等。
相關研究近日以封面論文形式發表在國際知名期刊《自然》上，標題為“Bubble casting soft robotics”（氣泡鑄造軟體機器人）。
傳統的剛性機器人有多種用途，例如製造汽車。不過，“它們天生不適合與柔軟的東西互動，比如人類或西紅柿。”論文通訊作者 Pierre-Thomas Brun說。
軟體機器人可以使用低複雜度、類似肌肉的軟執行器來完成複雜的任務，例如輕柔抓握、爬行或游泳，其柔軟與仿生運動的獨特組合使其在一些剛性機器無法實現的應用中有吸引力。
軟體機器人的執行器（即引起運動的元件）可以根據需要彎曲、扭曲、收縮或伸長。與依靠關節以固定方式移動的剛性機器人不同，軟體機器人中的材料有以無限多種方式移動和擴充套件的潛力。
軟體機器人這一蓬勃發展的領域受到建模、計算和製造等方面最新見解的推動，這些見解使各種軟機器的設計、程式設計和組裝成為可能。雖然已經證明使用化學、磁場、電場、溫度或溼度的變化可對軟執行器進行制動，但由加壓空隙驅動的矽橡膠機器人由於其簡單快速的驅動方式引起了相當多的關注。
這種機器人的運動被編碼在執行器的形狀或材料中，這樣，內部壓力的變化就可以機械地轉換為特定的運動。通常，這些執行器的膨脹很難預測，因此需要反覆試驗或長時間模擬來為特定應用定製執行器的形狀。目前，執行器的製造工藝在可擴充套件性、設計靈活性和穩健性方面存在侷限性。
而此項工作所使用的“氣泡鑄造”是一種簡單、靈活的方法，使用流體物理來建立執行器。
具體而言，研究者主要使用名為“彈性體”的液體聚合物，該液體在固化後會變成一種橡膠狀的彈性材料。他們將這種液體填充到一個簡單模具中，如吸管，或螺旋形或鰭狀肢等更復雜的形狀。然後，再將空氣注入液體中，產生一個細長的氣泡，從而形成執行器的內部空隙。
由於重力，隨著彈性體排到底部，氣泡慢慢上升到頂部。一旦彈性體凝固，就可以將其從模具中取出。再用空氣充氣，可使帶有氣泡的薄面在較厚的底座上拉伸和捲曲。
“如果在凝固前允許更多的時間排空，頂部的薄膜會更薄。越薄的薄膜，當你給它充氣時它會拉伸得越多，就會導致更大的整體彎曲。”論文第一作者Trevor Jones表示。
透過控制塗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間，研究人員可以決定執行器將如何移動。
他們成功地製造了抓住黑莓的星形“手”，像肌肉一樣收縮的線圈，甚至在整個系統膨脹時一根根捲起的“手指”，就像彈鋼琴一樣。這些執行器在充氣時會變形。
“氣泡鑄造”的一個主要優點是無需3D印表機、鐳射切割機或其他通常用於軟機器人的昂貴工具。該系統也是可擴充套件的。它有可能製造出長達數米、薄至100微米的執行器。
研究人員表示，他們期望這一方法的靈活性、魯棒性和預測效能夠透過組裝複雜的執行器（例如長的、曲折的或血管結構）來加速軟體機器人的發展。
儘管具有靈活性，但這種方式也有其侷限性。比如，過度充氣會導致氣球爆裂。“失敗是相當災難性的。”Jones表示。
接下來，該小組將使用該系統建立更復雜的執行器，並探索新的應用。
他們對設計在連續波中一起移動的執行器很感興趣，就像爬行著的千足蟲的腳一樣。另一種可能性是創建制造腔室的執行器，它使用單個壓力源進行充氣，能夠交替收縮和放鬆，從而模擬人類心臟的跳動。
責任編輯：李躍群
校對：劉威
