研究人员开发了一种灵活的新系统来创建软机器人

普林斯顿大学的研究人员发明了气泡铸造，这是一种使用“花式气球”制造软机器人的新方法，这种气球在充气时会以可预测的方式改变形状。新系统包括将气泡注入液体聚合物中，让材料凝固并膨胀所得装置，使其弯曲和移动。研究人员使用这种方法来设计和创造抓握的手、拍打的鱼尾和收回球的紧身线圈。他们希望他们于11月10日发表在《自然》杂志上的简单而通用的方法将加速新型软机器人的开发。

传统的刚性机器人有多种用途，例如制造汽车。“但他们将无法握住你的手，让你在不折断手腕的情况下移动到某个地方，”化学和生物工程助理教授、该研究的首席研究员皮埃尔-托马斯·布伦说。“它们天生不适合与柔软的东西互动，比如人类或西红柿。”

软机器人使用更柔软、更灵活的材料，使其成为需要轻触的应用的理想选择。有一天，它们可能会被用来收获农产品、从传送带上抓取精致的物品或提供个人护理。它们也可能用于医疗保健，例如用于康复的可穿戴外装或环绕心脏以帮助其跳动的植入式设备。

设计软机器人的一项挑战是控制它们的拉伸和变形方式，这决定了它们如何移动。所有机器人都有引起运动的组件，称为执行器。与根据关节以固定方式移动的刚性机器人不同，软机器人中的材料具有以无限多种方式移动和扩展的潜力。

气泡铸造提供了一种简单、灵活的方法来使用流体力学的基本规则(流体物理学)为软机器人创建执行器。该方法使用一种称为弹性体的液体聚合物，该聚合物固化后成为一种橡胶状的弹性材料。它被注射到一个简单的模具中，如吸管或更复杂的形状，如螺旋形或鳍状肢。接下来，研究人员将空气注入液体弹性体中，以在模具的整个长度上形成一个长气泡。由于重力，随着弹性体排到底部，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体硬化，就可以将其从模具中取出并用空气充气，这会导致带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。

通过控制一些因素——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固化所需的时间——研究人员可以决定所产生的致动器将如何移动。换句话说，“流体力学正在做这项工作，”布伦说。

“如果在固化前允许更多的时间排水，顶部的薄膜会更薄。薄膜越薄，当你给它充气时它会拉伸得越多，并导致更大的整体弯曲，”第一作者、研究生特雷弗·琼斯解释说。化学和生物工程专业的学生。

研究人员成功地铸造了轻轻握住黑莓的星形“手”，像肌肉一样收缩的线圈，甚至在整个系统膨胀时一根根卷起的“手指”，就像弹钢琴一样。

本文中的致动器在充气时会变形，但其他软机器人系统会使用磁场、电场或温度或湿度的变化。

大部分工作是弄清楚机器人在充气后的行为方式，以便研究人员可以设计具有特定运动的软执行器。合著者EtienneJambon-Puillet是Brun小组的博士后研究员，他与Jones合作开发了该系统的计算机模拟。

“我们可以使用任何人都可以使用的简单方程来预测会发生什么，”Jambon-Puillet说。“我们现在很清楚当我们给这些管状材料充气时会发生什么。”

气泡铸造的一个主要优点是它不需要3D打印机、激光切割机或其他通常用于软机器人的昂贵工具。该系统也是可扩展的。它有可能生产出几米长的执行器，其特征薄至100微米——几乎和人的头发一样小。

瑞士洛桑EPFL流体动力学教授弗朗索瓦·加莱尔(FrançoisGallaire)没有参与这项研究，他说：“真正聪明的是这种仅通过自然流体运动来塑造结构的想法。”“这些工艺将在许多不同的规模上发挥作用，包括非常小的东西。这很令人兴奋，因为用典型的制造方法铸造这些管子可能真的很困难，所以有可能制造出非常小的管子。”

尽管具有灵活性，但气泡铸造确实有其局限性。到目前为止，研究人员已经成功地迫使气泡穿过仅几米长的弹性体填充管。此外，过度充气会导致气球爆裂。“失败是相当灾难性的，”琼斯说。

接下来，该小组将使用他们的系统来创建更复杂的执行器并探索新的应用。他们对设计在连续波中一起移动的执行器很感兴趣，就像行走的千足虫的双脚一样。另一种可能性是创建带有腔室的执行器，这些腔室使用单个压力源使它们膨胀，从而模拟人类心脏的跳动，交替收缩和放松。

“我们在物理学层面非常了解这个问题，”琼斯说，“所以现在可以真正探索机器人技术。

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