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“花式气球”启发一篇 Nature 封面论文,科学家开发流体力学驱动的机器人,无机械加工可节约高昂机器成本

发布人:深科技时间:2021-11-23来源:工程师


它们外观不同,但却使用了同一技术——“花式气球”泡泡铸造法。11 月 10 日,相关论文以《泡泡铸造软机器人》(Bubble casting soft robotics)为题发表在 Nature 上,并成为当期封面论文。


此前软体机器人:成本高昂、任务执行不够完美


所有机器人都需要一个可引起运动的部件,也叫作执行器。刚性机器人是根据关节以固定方式进行移动,而软体机器人在移动方式上,具有更多想象力。 

软体机器人,是由可延展材料制成的机器人。它可进入和绕行一般硬体机器人无法触达的地方。设计时的最大困难在于控制拉伸方式和变形方式,这决定着它的移动方式。

尽管它的应用前景不错,但目前许多软体机器人的柔软 “身体” 却不得不被刚性驱动器来驱动,任务执行的效果往往会任务实现的目标以及效果大打折扣 。

为构建更实用的软体机器人,已有科研团队开发出软体驱动器,来让机器人完全实现软体化。但此前要想实现这一目的,通常需要 3D 打印机、或激光切割机等昂贵设备。

而文章开头动图中的软体机器人,搭载了科学家最新发明的新技术——“花式气球”泡泡铸造法,上述难题也借此被攻克。


“花式气球”启发一篇 Nature 封面论文


该研究由普林斯顿大学化学与生物工程系的团队完成,这是一种使用“花式气球”法来制造软体机器人的新方法。在充气时,气球能以可预测的方式改变自身形状。

以可握住水果的软体手指为例,这是能像肌肉一样收缩的手指,当给它施加空气时还可以单独弯曲。


研究中,将气泡注入液态聚合物、也就是橡胶之中,以便在模具的整个长度上形成一个长气泡。一旦聚合物凝固,它就可以弯曲、移动和抓住东西。然后。随着弹性体由于重力作用渐渐沉入到底部,气泡则会慢慢上升到顶部。



然后向气泡顶部周围的薄膜充气,随着薄膜尺寸的增加,气泡就会包裹在硬底部的周围。也就是说随着气泡上升,一层弹性体薄膜便留在其上方,但大部分液态弹性体最终会落入下方。


具体来说,泡泡铸造技术利用了流体的物理特性。在制造过程中,使用管状物或螺旋状物作为模具,将空气泵入液态聚合物中就可产生气泡,当聚合物凝固时,气泡则会漂浮到顶部。一旦这些弹性体硬化,就可将其从模具中取出、并向其充气。其中贴近气泡一侧的薄面,会在较厚的底座上拉伸并卷曲。



当液态聚合物被注入到模具中,模具的形状可以十分简单比如管状,也可以十分复杂,比如螺旋状物或其他更复杂的形状。


如果在液体聚合物固化前留有更多的时间,最终形成的顶部薄膜可以更薄。薄膜越薄,在给


通过控制相关因素,例如涂在模具上的弹性体的厚度、弹性体沉降到底部的速度、以及液态聚合物固化所需的时间等,即可控制所生产出来的致动器将如何移动。也就是说,这一移动取决于流体力学。


另外该系统也是可扩展的,它既能生产出几米长的执行器,也可以生产出薄至 100 微米,几乎和人的头发一样细的执行器。

并且,执行器在充气时会变形。相比之下,其他软体机器人系统则通常会使用磁场、电场、温度或湿度变化来让执行器产生变形。

在该工作中,该团队把大量时间花在弄清楚机器人充气后的行为方式,为的是设计出具有特定运动特征的软体驱动器,以及能用一种任何人都能学会的简单方程来预测会接下来将会发生什么。


特别值得注意的是,研究中出现的薄膜,可以优化偏心空隙拓扑结构,在弯曲系数方面也强于多数充气执行器。


泡泡铸造的一个主要优点在于其成本优势,它不需要 3D 打印机、激光切割机或其他通常用于软体机器人生产所需的价格昂贵的工具。除了空气之外,这些软体机器人还可通过磁性、电流或温度和湿度的变化来激活。 


这些新功能将在软物质通信系统中产生较大反响,可让下一代机器人材料更容易移动,并可以与环境交互,同时又能让其复杂性保持在易处理的水平。




研究人员表示,泡泡铸造是一种无粘合的制造方法,它依赖于流体流动、而非内部模板来构建空隙。与机械部件相比,这种对连续介质机械的依赖,使得各种尺寸的软气动执行器的无缺陷制造、以及之前不可能实现的长宽比成为可能。


整体来说,泡泡铸造技术提供了一种简单、灵活的方法,即使用流体力学的基本规则,也就是使用流体物理学来给软体机器人创建执行器。


美国西北大学应用物理专业博士生袁航表示,该研究将空气注入到由液态向固态转变过程中的弹性体,思路非常巧妙。此外,还可稳定制备出由气压驱动的各种柔性驱动元件。


美国波士顿大学工程学院博士杨溢分析称,该研究的重点不在于所制作的软体机器人本身,而在于制作方法。此方法不仅简单,并且可实现常规方法很难实现的效果。传统制作方法是模具浇筑,而该研究则利用流体力学的原理,设计了简单且精确的制作方法去制作气压驱动的软体机器构件。


袁航也认为,该方法不涉及复杂的制备过程,可由特定形状模具、去大规模地制备各种柔性驱动元件。此外,这项研究也详细阐述了弹性体截面形状形成的机理。


未来将研发“千足虫”机器人


传统的硬体机器人虽然有很多用途,但它们由于坚硬的外壳,给人的印象总是不太温和,功能也比较受限。

比如,有着坚硬外壳的机器人无法做到握住你的手、并带着你移动,而且它们尤其不适合与柔软的东西互动,例如西红柿等。



相比之下,软体机器人在这一领域大有用武之地,它们可能会用于收获农产品、从传送带上抓取精致的物品,以及作为可穿戴运动紧身衣、或皮下设备的一部分来帮助心脏病患者。

研究人员希望通过对复杂执行器的组装,并借助该方法的灵活性、鲁棒性和预测性,可加速软体机器人的开发,例如开发出长形、曲折或血管结构的各种软体机器人,从而实现新功能。


概括来说,这种独特的柔软和生物运动的结合,使软体机器人在各种创新应用中十分有吸引力。此外,在建模、计算和制造方面的最新技术推动下,软体机器人的设计、编程和组装也将迎来更多可能。


接下来,研究人员希望利用该方法进一步开发新的软体机器人,比如可像千足虫那样、以连续的波一起移动的机器人,或者以类似于人类心脏一样从单一压力来源进行收缩和放松的机器人。


研究人员表示:“随着在物理学层面对于该问题的了解越来越充分,我们认为是时候去真正探索机器人技术了。”


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支持:vantee


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关键词: Nature

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