仿生新宠软体机器人

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  过去,科学家从生物体中获取机器人的设计灵感,通常是模仿人类的内部构造或昆虫的外形架构等,尤其是后者。现在,哈佛大学化学家怀特赛德斯团队认为,过去对软体生物(如鱿鱼、海星和蠕虫等)的模仿被长期忽视了,为此他们设计了一种“软体机器人”模具,制造出一种软体机器人,让其从事一些硬体机器人不能做的事情。
  借助空气前行
  制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发明的“软光刻”技术。其生产过程是:用光照射模具的表面,使覆盖在模具表面的软体生物图案上一层薄薄的高分子膜曝光,然后将没有图案的地方溶蚀掉,留一个软生物模型。怀特赛德斯认为,这是一个非常成功的技术,它具有很高的分辨率,模型相当小巧,但在批量化生产之前成本比较昂贵。
  软光刻技术是以柔软聚合物模具为载体,这是一个相对比较简单的制造过程。模型刻好后,对外表面修整再借助微流体技术在模型内部形成空腔通道。当通入空气时,模型的肢体会模拟软体生物肌体的伸缩而运动。
  从软体机器人的四肢、躯干以及内部结构来看,有点像一朵简化的雪花,其中央“脊梁管”与四肢通道连接;机器人有两层聚合物:一层具有良好的伸缩性能;一层质地结实、坚不可摧。当空气注入后,具有弹性的肢体会不停地像气球一样膨胀、伸展和收缩。当收缩弯曲时,借助肢体与周围摩擦力作用产生的横推力,整个身体可以不断向前爬行。
  怀特赛德斯说:“提出这个概念不难,但实现这种运动是很不寻常的。在这些看似四肢很简单的驱动下,从中你会看到非常有趣的运动。”他指出,虽然这种机器人的运动和构造确实很像海星似的软体动物,但目的是模仿它的功能,而不是其机制。
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  研究人员在2011年12月20日出版的《美国国家科学院院刊》(PNAS)上报道了这项研究的阶段性成果。截至目前,软体机器人的两个主要步态,即“波浪起伏”和“蹒跚爬行”时,每一个肢体都在不停地“鼓胀”与“收缩”,以此产生一系列的运动。结合步态的调整,比如说在低强度下挤压时,软体机器人所表现出的抗压能力,硬体机器人一般难以达到。软体机器人平展时高约0.9厘米,能够爬过一个高2厘米的缺口:当这个软体生物机器人爬行到缺口边缘时,肢体会不停地鼓胀、伸缩起伏,就像一个跳跃的生物试图通过这一缺口—样。
  软体机器人长约13厘米,平均行进速度约24米/小时。怀特赛德斯说,其实对于机器人的大小没有限制,他的团队已经制造出了可以携带有效载荷的机器人模具,大小是现在的2倍。“如果你想让它携带传感器,那么这个东西必须能吸附在它身上。”为此,怀特赛德斯团队制作了一个新软体机器人,它有6个肢体,用作机器人的“抓手”,它们可以蜷缩伸展,能举起类似生鸡蛋一样的易碎物体。这种类似海星的软体机器人,在低强度挤压时所表现出的抗压能力,硬体机器人一般难以达到。研究人员对它进行了柔韧性测试:他们将一块玻璃板置于距离地面不到1.9厘米的高度,并让这个小机器人尝试从下面爬过去。结果科学家们成功地控制这个机器人15次来回穿过了这个极其狭小的缝隙,并且在大多数情况下,每次穿过所花的时间不到1分钟。
  怀特赛德斯认为,这种软体机器人作为外科手术工具,为受损肌体组织进行修复。步行机器人在凹凸不平的地面行走是相当稳健的,可以在危险环境中进行目标搜索和救援行动。现在软体机器人已引起美国国防部高级研究计划署的兴趣,并出资支持这一研究。
  由于软体机器人是模塑成型的,制造费用并不昂贵。怀特赛德斯说:“即使在危险的环境中,它们也可以匍匐前行参与救援行动,即使房屋倒塌,也不必太在意压坏它,因为它的成本不是很高。”
  未来大型软体机器人也可以自动爬行。怀特赛德斯指出:“我们还有很多事情要做,这仅仅是开始而已。这项技术可以研发出更多结构和功能软体机器人,使它成为人们的好助手。”
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