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这也能发Nature封面?儿时的气球都白玩了

撰文 | 小希

小时候的快乐仿佛都很简单,小伙伴们在一起就算没有玩具都可以玩一天。偶尔获得一只气球便更了不得,爱如珍宝,吹起来和小伙伴一起争抢、打闹,追来跑去,开心的简直要飞起来。
逛游乐园的记忆里,也少不了看小丑表演,将一根长长的气球变成一朵玫瑰、一顶帽子或者可爱的香肠狗。咦,这不就是我们一直在做的柔性材料么?

或许是受到儿时玩气球的启发,美国普林斯顿大学Pierre-Thomas Brun教授课题组用类似玩气球的方式实现了软体机器人的制备和可编程驱动,论文近日发表在 Nature 杂志上并被选作当期封面。充气后,这些“气球”软体机器人可以像肌肉一样伸缩自如,还可以像手指一样灵活弯曲,甚至恰到好处地取出瓶子里人手够不到的小球。

软体机器人取出小球。图片来源:Nature

当期封面。图片来源:Nature

这种软体机器人的制备方法堪称简单方便。首先,将未固化的液体弹性体注入模具,比如封面图中绿色部分对应的长直细管状模具;随后在液体弹性体中注入空气,在模具中形成一个纵向贯穿整个模具的长气泡。由于重力作用,气泡逐渐缓慢上升到模具顶部,而液体弹性体流动到模具底部,形成上薄下厚的结构。最后,将液体弹性体固化,上薄下厚的结构保持,得到“气球”软体机器人。文中将这一方法称为“bubble casting”,姑且译为“气泡浇铸”。

软体机器人的“气泡浇铸”及气动致动。图片来源:Nature

有吹气球经验的小伙伴都知道,如果气球薄厚程度不同,吹气的时候薄的部分更容易膨胀起来,气球也会因此弯曲变形。与这一现象类似,往固化后的“气球”软体机器人中充气,薄壁部分更容易扩张,使得气球机器人改变形状,发生卷曲等机械运动,而且薄厚差别越大,运动越明显。这一过程即气动致动(pneumatic actuation)。这种通过自身弯曲来实现伸缩和拉力在自然界中不乏其例,比如黄瓜藤条上盘旋而升的卷须。结合不同的模具,可以方便地得到不同外形的“气球”软体机器人,从而执行不同任务。例如,他们成功地制出了在充气时能轻轻握住黑莓的星形“手”(下图a),线圈状能反复收缩的“肌肉”(下图b),甚至能够一根一根地卷起的“手指”(下图c)。

不同形状软体机器人的制备和驱动。图片来源:Nature

控制“气球”机器人,实现多功能和可编程,让它们按照研究者希望的方式运动,只需要控制不多的一些因素——弹性体流体的直径、弹性体流体沉降到底部的速度、气流大小、固化所需时间等。而这一过程中,“流体力学正是关键,”Brun教授说。[1] 研究者利用流体力学原理,研究了上述因素对软体机器人横截面形状的影响。

流体决定形状的模拟与计算。图片来源:Nature

“气球”软体机器人充气后如何动作是本文研究的重点,这可以让研究者设计出能执行特定任务的软体机器人。制备的管状聚合物材料上薄下厚,充气时会产生扭矩,这是“气球”软体机器人运动的基础,研究者利用三维有限元模型对其进行模拟以深入了解其机理。“我们可以用任何人都能使用的简单方程来预测,这些管状材料在充气时会发生什么”,论文作者之一Etienne Jambon-Puillet博士说[1] 

气动致动与弯曲的计算机模拟。图片来源:Nature

这种“气球”软体机器人卷曲运动最大收缩长度可达到初始长度的~80%,这一指标超过目前已报道的其他气动人造肌肉。通过编程控制,“气球”软体机器人不但能完成简单的重物提取,如提起水瓶;还可以通过拼接,完成复杂的操作,如本文开始时提到的从瓶中抓取小球。

可编程的“气球”软体机器人。图片来源:Nature

当然,这种“气球”软体机器人也面临着一些与我们小时候玩气球类似的问题。比如充气过度会导致气球爆裂,“造成灾难性的失败” [1] ,论文一作Trevor J. Jones说。还比如,如果存在漏气的小孔或管道被堵塞住了,也可能使软体机器人的运动变得无法预测,就好像那些“骚动”的气球人。

“骚动”的气球人不过,这种“气泡浇铸”制备软体机器人的方法无需复杂的技术和昂贵的设备,能制备几米长的气动软体机器人,也非常节省原材料(聚合物管壁厚度仅~100 μm)。下一步,研究者将利用该技术开发更复杂的操作,拓展应用范围。比如设计可连续运动的机器人,像百足虫似的向前行走,或是制备带有腔室驱动器,模拟人类心脏的跳动,实现交替膨胀和收缩。“我们对这个问题在物理层面上的理解相当充分,现在可以探索真正的机器人技术了”,Jones说[1] 。原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):Bubble casting soft roboticsTrevor J. Jones, Etienne Jambon-Puillet, Joel Marthelot & P.-T. Brun Nature2021599, 229–233, DOI: 10.1038/s41586-021-04029-6

 

参考文献

[1] Tiny bubbles help create soft roboticshttps://engineering.princeton.edu/news/2021/11/11/tiny-bubbles-help-create-soft-robotics

本文经授权转载自微信公众号“X-MOL资讯 ”。

 



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