近 日，豬糞顆粒機(jī)美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員利用流體力學(xué)的原理研發(fā)出了一款豬糞顆粒機(jī)氣泡鑄造的軟體機(jī)器人。如今生物科技、醫(yī)學(xué)等越來(lái)越多的領(lǐng)域都需要干活更加精細(xì)的機(jī)器人的幫助，相信這一款軟體機(jī)器人技術(shù)在未來(lái)會(huì)有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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過(guò)去，剛性豬糞顆粒機(jī)機(jī)器人在機(jī)器人領(lǐng)域一直占主導(dǎo)位置，但它天生和柔軟脆弱的東西不合拍。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(wú)法觸達(dá)的地方。

近日，美國(guó)普林斯頓大學(xué)的研究人員利用流體力學(xué)的原理研發(fā)出了一款氣泡鑄造的軟體[文]機(jī)器人。如今生物科技、醫(yī)學(xué)等越來(lái)越多的領(lǐng)域都需要干活更加精細(xì)的機(jī)器人的幫助，[章]相信這一款軟體機(jī)器人技術(shù)在未來(lái)會(huì)有更大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

在這一全新系統(tǒng)中，研究人員將氣泡注入液態(tài)聚合物當(dāng)中使材料凝固，接下來(lái)再為豬糞顆粒機(jī)這個(gè)合成物充氣讓他可以彎曲并且移動(dòng)。

普林斯頓大學(xué)的研究人員們利用這一方法設(shè)計(jì)并創(chuàng)造了一雙能夠抓住搖擺魚(yú)尾的手，還[來(lái)]有一個(gè)能撿球的像彈簧玩具的線圈。

研究人員希望這種簡(jiǎn)單多用途的方法可以加速新型軟體機(jī)器人的發(fā)展，這豬糞顆粒機(jī)項(xiàng)研究成果發(fā)布在《自然》雜志11月刊中。

傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人可以發(fā)揮多種用途，比如在制造汽車方面?！暗撬鼈儙У降奈恢脮?huì)劃傷你的手”，普林斯頓大學(xué)化學(xué)與生物工程助理教授、課題首席研究員 Pierre-Thomas Brun 表示，“因?yàn)閯傂詸C(jī)器人無(wú)法自然地與軟形物體聯(lián)動(dòng)，豬糞顆粒機(jī)比如人類或西紅柿?！?/p>

軟體機(jī)器人運(yùn)用濕軟彈性的物質(zhì)制成，所以非常適用于那些需要溫柔觸感的應(yīng)用。它們[自]可以快速應(yīng)用于農(nóng)業(yè)收割、從傳送帶上抓取易碎品或是提供個(gè)人護(hù)理。

與此同時(shí)，它們也能應(yīng)用于健康護(hù)理，比如用于康復(fù)的可穿戴體外豬糞顆粒機(jī)骨骼或是包裹在心臟周圍幫助跳動(dòng)的植入式設(shè)備。

設(shè)計(jì)軟體機(jī)器人的一大挑戰(zhàn)是要控制它們?nèi)绾紊煺购妥冃?、命令它們?nèi)绾我苿?dòng)。所有的機(jī)器人都有一個(gè)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)的零件叫做制動(dòng)器。不同于剛性機(jī)器人可以依靠關(guān)節(jié)以固定的方式移動(dòng)，軟體豬糞顆粒機(jī)機(jī)器人的材料具有以無(wú)數(shù)種方式移動(dòng)和伸展的潛能。

實(shí)際上，泡泡鑄造技術(shù)為軟體機(jī)器人的制動(dòng)器制造提供了一種簡(jiǎn)單、靈活的方法，就是使用了流體力學(xué)的基本規(guī)則—流體物理學(xué)。本次研究運(yùn)用了一種名為合成橡膠的液態(tài)聚合物，它可以變成豬糞顆粒機(jī)有彈性的橡膠質(zhì)材料，然后被注入一個(gè)像吸管一樣簡(jiǎn)單或是螺旋型更復(fù)雜形狀的模具中。

接下來(lái)，研究人員會(huì)向液態(tài)合成橡膠中注入空氣，通過(guò)模具的長(zhǎng)度形成一個(gè)長(zhǎng)泡泡。

由于重力的作用，氣泡會(huì)慢慢升到頂部而橡膠管道則會(huì)下沉到底部。

當(dāng)豬糞顆粒機(jī)橡膠硬化后就會(huì)從模具中移除并注入空氣，這時(shí)氣泡較薄的一邊就會(huì)被撐大，較厚的一邊就會(huì)卷曲。

“如果在卷曲前有足夠的時(shí)間排空，氣泡頂部的薄膜就會(huì)變得更薄。當(dāng)薄膜越薄，充氣時(shí)會(huì)撐開(kāi)的越多，最后導(dǎo)致整體的彎曲。” 普林斯頓大學(xué)化學(xué)與豬糞顆粒機(jī)生物工程研究生、論文第一作者Trevor Jones介紹到。

在制造過(guò)程中，管狀模具在膠凝點(diǎn)旋轉(zhuǎn) 180 度。由此產(chǎn)生的制動(dòng)器在兩個(gè)不同的方向彎曲。在制造過(guò)程中，一個(gè)三段管狀模具在凝[顆]膠點(diǎn)旋轉(zhuǎn) 180 度和 90 度。由此產(chǎn)生的制動(dòng)器在三個(gè)方向和兩個(gè)平面上彎曲。

通過(guò)控制一些因素，豬糞顆粒機(jī)比如合成橡膠覆蓋薄膜的厚度，橡膠有多快沉入底部，多久開(kāi)始彎曲。研究人員就可以命令制動(dòng)器如何移動(dòng)。換句話說(shuō)，這是流體力學(xué)在發(fā)揮作用。

在此次實(shí)驗(yàn)中，研究人員成功將這款軟體機(jī)器人形成一個(gè)星星狀的手，溫柔地拿取了一顆黑莓。另外，豬糞顆粒機(jī)橡膠還卷縮成像肌肉一樣的線圈和一排手指，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)充氣時(shí)，一根一根手指蜷曲起來(lái)，就像在彈鋼琴。此外，由于受到生物體的啟發(fā)，軟體機(jī)器人能夠模擬動(dòng)物和植物運(yùn)動(dòng)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)。

本次研究中很大一部分工作是弄清楚機(jī)器人充氣后的行為，豬糞顆粒機(jī)這樣研究人員就可以設(shè)計(jì)具有特定動(dòng)作的軟體驅(qū)動(dòng)器。

合著者Etienne Jambon-Puillet是Brun小組的博士后研究員，他和Jones一起[粒]開(kāi)發(fā)了該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬。

Jambon-Puillet認(rèn)為：“我們可以用任何一個(gè)人都會(huì)的簡(jiǎn)單方程來(lái)預(yù)測(cè)未來(lái)會(huì)發(fā)生什么事?，F(xiàn)在我們很清楚，當(dāng)我們給這些管豬糞顆粒機(jī)狀材料充氣時(shí)會(huì)發(fā)生什么。”

實(shí)際上，氣泡鑄造的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)是它不需要3D打印機(jī)、激光切割機(jī)或是其他用于軟[機(jī)]體機(jī)器人的昂貴工具。

這一系統(tǒng)還具有可擴(kuò)展性。它很有可能生產(chǎn)出幾米長(zhǎng)、厚度可達(dá)100微米的驅(qū)動(dòng)器—[_]幾乎與人類頭發(fā)一樣大小。

“而其中豬糞顆粒機(jī)最智能的是通過(guò)流體力學(xué)來(lái)塑造結(jié)構(gòu)的這個(gè)想法”，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院的流體力學(xué)教授Fran?ois Gallaire表示，“這一技術(shù)適用于不同規(guī)模的應(yīng)用，包括非常小的東西。這是非常令人興奮的技術(shù)突破，因?yàn)槭褂脗鹘y(tǒng)制造方法鑄造這些軟體機(jī)器人是非常困難的?！?/p>

豬糞顆粒機(jī)雖然氣泡鑄造具有很好的靈活性，但它也有其局限性?！斑^(guò)度膨脹會(huì)導(dǎo)致氣球爆裂。而失敗會(huì)是相當(dāng)?shù)臑?zāi)難性”，研究人員表示。

接下來(lái)，這一小組將使用他們的系統(tǒng)來(lái)創(chuàng)建更復(fù)雜的制動(dòng)器并探索新的應(yīng)用，例如設(shè)計(jì)能以連續(xù)波的形式一起移動(dòng)的制動(dòng)器，豬糞顆粒機(jī)就像行走的千足蟲(chóng)一樣。創(chuàng)建帶有腔室的制動(dòng)器，這些腔室使用單個(gè)壓力源讓它們膨脹，從而模擬人類心臟的跳動(dòng)，交替收縮和放松。

研究人員還表示，在物理層面上他們對(duì)這一技術(shù)的理解已經(jīng)非常深入，現(xiàn)在要開(kāi)始探索[木]軟體機(jī)器人在技術(shù)上更多的可能性。

編譯自普林斯頓大學(xué)網(wǎng)站