逛游樂園的記憶里，也少不了看小丑表演，將一根長長的氣球變成一朵玫瑰、一頂帽子或者可愛的香腸狗。咦，這不就是我們一直在做的柔性材料么？
或許是受到兒時玩氣球的啟發(fā)，美國普林斯頓大學(xué)Pierre-Thomas Brun教授課題組用類似玩氣球的方式實現(xiàn)了軟體機器人的制備和可編程驅(qū)動，論文近日發(fā)表在 Nature 雜志上并被選作當期封面。充氣后，這些“氣球”軟體機器人可以像肌肉一樣伸縮自如，還可以像手指一樣靈活彎曲，甚至恰到好處地取出瓶子里人手夠不到的小球。
軟體機器人取出小球。圖片來源：Nature
當期封面。圖片來源：Nature
這種軟體機器人的制備方法堪稱簡單方便。首先，將未固化的液體彈性體注入模具，比如封面圖中綠色部分對應(yīng)的長直細管狀模具；隨后在液體彈性體中注入空氣，在模具中形成一個縱向貫穿整個模具的長氣泡。由于重力作用，氣泡逐漸緩慢上升到模具頂部，而液體彈性體流動到模具底部，形成上薄下厚的結(jié)構(gòu)。最后，將液體彈性體固化，上薄下厚的結(jié)構(gòu)保持，得到“氣球”軟體機器人。文中將這一方法稱為“bubble casting”，姑且譯為“氣泡澆鑄”。
軟體機器人的“氣泡澆鑄”及氣動致動。圖片來源：Nature
有吹氣球經(jīng)驗的小伙伴都知道，如果氣球薄厚程度不同，吹氣的時候薄的部分更容易膨脹起來，氣球也會因此彎曲變形。與這一現(xiàn)象類似，往固化后的“氣球”軟體機器人中充氣，薄壁部分更容易擴張，使得氣球機器人改變形狀，發(fā)生卷曲等機械運動，而且薄厚差別越大，運動越明顯。這一過程即氣動致動（pneumatic actuation）。這種通過自身彎曲來實現(xiàn)伸縮和拉力在自然界中不乏其例，比如黃瓜藤條上盤旋而升的卷須。結(jié)合不同的模具，可以方便地得到不同外形的“氣球”軟體機器人，從而執(zhí)行不同任務(wù)。例如，他們成功地制出了在充氣時能輕輕握住黑莓的星形“手”（下圖a），線圈狀能反復(fù)收縮的“肌肉”（下圖b），甚至能夠一根一根地卷起的“手指”（下圖c）。
不同形狀軟體機器人的制備和驅(qū)動。圖片來源：Nature
控制“氣球”機器人，實現(xiàn)多功能和可編程，讓它們按照研究者希望的方式運動，只需要控制不多的一些因素——彈性體流體的直徑、彈性體流體沉降到底部的速度、氣流大小、固化所需時間等。而這一過程中，“流體力學(xué)正是關(guān)鍵，”Brun教授說。[1] 研究者利用流體力學(xué)原理，研究了上述因素對軟體機器人橫截面形狀的影響。
流體決定形狀的模擬與計算。圖片來源：Nature
“氣球”軟體機器人充氣后如何動作是本文研究的重點，這可以讓研究者設(shè)計出能執(zhí)行特定任務(wù)的軟體機器人。制備的管狀聚合物材料上薄下厚，充氣時會產(chǎn)生扭矩，這是“氣球”軟體機器人運動的基礎(chǔ)，研究者利用三維有限元模型對其進行模擬以深入了解其機理。“我們可以用任何人都能使用的簡單方程來預(yù)測，這些管狀材料在充氣時會發(fā)生什么”，論文作者之一Etienne Jambon-Puillet博士說[1] 。
氣動致動與彎曲的計算機模擬。圖片來源：Nature
這種“氣球”軟體機器人卷曲運動最大收縮長度可達到初始長度的~80%，這一指標超過目前已報道的其他氣動人造肌肉。通過編程控制，“氣球”軟體機器人不但能完成簡單的重物提取，如提起水瓶；還可以通過拼接，完成復(fù)雜的操作，如本文開始時提到的從瓶中抓取小球。
可編程的“氣球”軟體機器人。圖片來源：Nature
當然，這種“氣球”軟體機器人也面臨著一些與我們小時候玩氣球類似的問題。比如充氣過度會導(dǎo)致氣球爆裂，“造成災(zāi)難性的失敗” [1] ，論文一作Trevor J. Jones說。還比如，如果存在漏氣的小孔或管道被堵塞住了，也可能使軟體機器人的運動變得無法預(yù)測，就好像那些“騷動”的氣球人。
“騷動”的氣球人
不過，這種“氣泡澆鑄”制備軟體機器人的方法無需復(fù)雜的技術(shù)和昂貴的設(shè)備，能制備幾米長的氣動軟體機器人，也非常節(jié)省原材料（聚合物管壁厚度僅~100 μm）。下一步，研究者將利用該技術(shù)開發(fā)更復(fù)雜的操作，拓展應(yīng)用范圍。比如設(shè)計可連續(xù)運動的機器人，像百足蟲似的向前行走，或是制備帶有腔室驅(qū)動器，模擬人類心臟的跳動，實現(xiàn)交替膨脹和收縮。“我們對這個問題在物理層面上的理解相當充分，現(xiàn)在可以探索真正的機器人技術(shù)了”，Jones說[1] 。
Bubble casting soft robotics
Trevor J. Jones, Etienne Jambon-Puillet, Joel Marthelot & P.-T. Brun
Nature, 2021, 599, 229–233, DOI: 10.1038/s41586-021-04029-6
參考文獻：
[1] Tiny bubbles help create soft robotics
https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/11/tiny-bubbles-help-create-soft-robotics
