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柔性机器人的中国“贡献”

导读: 中科院理化技术所的研究人员新发现,镓基液态合金在牺牲金属或电场的刺激下可变色变形能力,为柔性机器人提供可变性变色材料结构优化的可能性。

近日,一篇刊登在最新一期《美国化学会—应用材料与界面》杂志上的论文又将“柔性机器人”这一概念拉回人们视线中,中科院理化技术所的研究人员新发现,镓基液态合金在牺牲金属或电场的刺激下可变色特点,加上其优异的导热性和导电性、低粘度、良好的流动性和生物相容性,显示出了一定条件下可以变形和运动的能力;为柔性机器人提供可变性变色材料结构优化的可能性。

柔性机器人

早在2015年,中国科学家就在世界上首次根据液态金属在电场下自主运动可变形的特性从理论和技术层面论证了液态金属柔性机器人的可能性。此前,中国科学院理化技术研究所研究员、清华大学教授刘静在其撰写的室温液态金属综述文章中也曾写道,“液态金属可变形机器效应的发现,有望促成柔性机器理论与技术取得重大突破。”

什么是柔性机器人?

新加坡国立大学机械工程系教授朱建曾给出过一个简单的概念,柔性机器人的特性包括材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性、良好的人机互动性等。

我们一般常见的人形机器人的关节大多是僵硬的,跳跃落地时都会重重地砸向地面,传统的刚性材料很难让机器人灵活地呈现给大家,未来的机器人应该是朝着更轻、更柔软、对外部动力依赖程度更低的方向发展,到时候人机协作会更安全、更协调。

柔性机器人目前分为工业和生物两大类,主要是为了应对制造业和医疗行业的需求,有意思的是柔性机器人在不同的领域定义也不完全相同。从制造业的角度来讲,柔性机器人是指运用机器视觉的六轴以上的工业机器人。从生物学角度来讲,柔性机器人是指模拟生物的柔性与灵活性创造的仿生机器人。后者将被应用至各种复杂环境中帮助甚至代替人们执行特殊、高级的任务。

虽然柔性机器人有着诸多优点,但当前大多数的研究还处于实验室阶段,甚至柔性机器人大多使用的还是刚性材料,比如金属、塑料等材料制成。目前科学界研发出了各种软体动物机器人,包括蠕虫机器人,毛毛虫机器人,章鱼和八爪鱼机器人等,但大多仍属于多个硬质单元组成的机构,与柔软和普适变形乃至融合等高级机器所具备的能力还存在相当大距离,更不同于自然界中人或动物那样的有着柔软外表、无缝平滑的连接。所以我们在这里主要讨论一下完全由柔性材料构成,没有多余硬性结构在其中的柔性机器人。

那些脑洞大开的柔性机器人

斯坦福大学机械工程师从葡萄藤、真菌和神经细胞等可通过生长而覆盖距离的天然生物获得设计灵感,研发了可自我生长的柔性机器人,这种藤状机器人可以长距离生长,而不会移动其全身,它可以用在搜索,救援行动和医疗应用中。

哈佛大学的研究者们出了一款章鱼形状的完全柔性机器人 “Octobot”。这款机器人全身都由软软的柔性材料构成,不需要外接动力,自己就能运动起来。浙江大学航空航天学院、浙江省软体机器人与智能器件研究重点实验室李铁风副教授和黄志龙教授课题组从海洋生物鳐鱼(蝠鲼)的柔软身体与柔性扑翼推进获得启发,利用介电高弹体薄膜作为软体人工肌肉驱动器。

来自凯斯西储大学的研究人员则开发了一种基于折纸设计的新型3D打印柔性机器人,其可变形性使其形状变形来吸收额外的力,不需要任何额外的传感器来检测力并调整自身。因此,必要的人力干预量急剧减少并且软而安全。

柔性机器人的材料和驱动

需要高灵活性和可变形性的柔性机器人,主要技术难点在于其构成材料,其次在于驱动上,因为传统的刚性连接器和外壳已不再适用,人们会想办法保证其材料的柔软性,目前比较常见的是通过3D打印的方式来制作“外壳”,比如水凝胶造出的胶状机器人,MIT的一个研究团队就做了尝试性的试验,他们用3D打印和激光切割打造出水凝胶的外壳,实现“身体”的“柔韧性”,然后通过液压驱动的方式驱动机器人的运动。

再就是通过一些特殊的材料来打造类似于人造肌肉的材料,像电活性聚合物(EAP)、形状记忆合金这样的物质都是人造肌肉的良好材料,以形状记忆合金为例,它可以根据温度自动改变形状,并且能够记住这些形状,实现弯曲、变短、抓取物体等动作。

新进展比较多的材料就是文章一开始提及的液态金属,可以在电、磁、光、热、化学、机械等外场控制下,在不同的形态和运动模式上任意切换,甚至吃”掉“燃料”后,能够自主运动等类生物行为。。

从材料来看,主要是电力驱动,比如上述的人造肌肉材料等职能材料需要通电产生的形变产生驱动力,其次就是利用环境的变化来获取动力,如温度、空气以及光照等方式。但是这些驱动方式也有很大的隐患,机器人的运动精度控制上有难度,另一方面,如果驱动机器人运动所需的电场强度过高,也会影响它在一定范围内的运动。

所以目前虽然柔性机器人的研究机构颇多,研究方向也不同,但离落地使用,还有很长一段路要走,柔性机器人或许能令我们人类开发生物启发下的人工智能,从而将其应用到更多不同场景。

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