逛游樂(lè)園的記憶里，也少不了看小丑表演，將一根長(zhǎng)長(zhǎng)的氣球變成一朵玫瑰、一頂帽子或者可愛(ài)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(shí)玩氣球的啟發(fā)，美國(guó)普林斯頓大學(xué)Pierre-Thomas Brun教授課題組用類(lèi)似玩氣球的方式實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的制備和可編程驅(qū)動(dòng)，論文近日發(fā)表在 Nature 雜志上并被選作當(dāng)期封面。充氣后，這些“氣球”軟體機(jī)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(jī)器人取出小球。圖片來(lái)源：Nature
當(dāng)期封面。圖片來(lái)源：Nature
這種軟體機(jī)器人的制備方法堪稱(chēng)簡(jiǎn)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(duì)應(yīng)的長(zhǎng)直細(xì)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(gè)縱向貫穿整個(gè)模具的長(zhǎng)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(dòng)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(jī)器人。文中將這一方法稱(chēng)為“bubble casting”，姑且譯為“氣泡澆鑄”。
軟體機(jī)器人的“氣泡澆鑄”及氣動(dòng)致動(dòng)。圖片來(lái)源：Nature
有吹氣球經(jīng)驗(yàn)的小伙伴都知道，如果氣球薄厚程度不同，吹氣的時(shí)候薄的部分更容易膨脹起來(lái)，氣球也會(huì)因此彎曲變形。與這一現(xiàn)象類(lèi)似，往固化后的“氣球”軟體機(jī)器人中充氣，薄壁部分更容易擴(kuò)張，使得氣球機(jī)器人改變形狀，發(fā)生卷曲等機(jī)械運(yùn)動(dòng)，而且薄厚差別越大，運(yùn)動(dòng)越明顯。這一過(guò)程即氣動(dòng)致動(dòng)（pneumatic actuation）。這種通過(guò)自身彎曲來(lái)實(shí)現(xiàn)伸縮和拉力在自然界中不乏其例，比如黃瓜藤條上盤(pán)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(jī)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(shí)能輕輕握住黑莓的星形“手”（下圖a），線(xiàn)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(jī)器人的制備和驅(qū)動(dòng)。圖片來(lái)源：Nature
控制“氣球”機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)多功能和可編程，讓它們按照研究者希望的方式運(yùn)動(dòng)，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(shí)間等。而這一過(guò)程中，“流體力學(xué)正是關(guān)鍵，”Brun教授說(shuō)。[1] 研究者利用流體力學(xué)原理，研究了上述因素對(duì)軟體機(jī)器人橫截面形狀的影響。
流體決定形狀的模擬與計(jì)算。圖片來(lái)源：Nature
“氣球”軟體機(jī)器人充氣后如何動(dòng)作是本文研究的重點(diǎn)，這可以讓研究者設(shè)計(jì)出能執(zhí)行特定任務(wù)的軟體機(jī)器人。制備的管狀聚合物材料上薄下厚，充氣時(shí)會(huì)產(chǎn)生扭矩，這是“氣球”軟體機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)，研究者利用三維有限元模型對(duì)其進(jìn)行模擬以深入了解其機(jī)理。“我們可以用任何人都能使用的簡(jiǎn)單方程來(lái)預(yù)測(cè)，這些管狀材料在充氣時(shí)會(huì)發(fā)生什么”，論文作者之一Etienne Jambon-Puillet博士說(shuō)[1] 。
氣動(dòng)致動(dòng)與彎曲的計(jì)算機(jī)模擬。圖片來(lái)源：Nature
這種“氣球”軟體機(jī)器人卷曲運(yùn)動(dòng)最大收縮長(zhǎng)度可達(dá)到初始長(zhǎng)度的~80%，這一指標(biāo)超過(guò)目前已報(bào)道的其他氣動(dòng)人造肌肉。通過(guò)編程控制，“氣球”軟體機(jī)器人不但能完成簡(jiǎn)單的重物提取，如提起水瓶；還可以通過(guò)拼接，完成復(fù)雜的操作，如本文開(kāi)始時(shí)提到的從瓶中抓取小球。
可編程的“氣球”軟體機(jī)器人。圖片來(lái)源：Nature
當(dāng)然，這種“氣球”軟體機(jī)器人也面臨著一些與我們小時(shí)候玩氣球類(lèi)似的問(wèn)題。比如充氣過(guò)度會(huì)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(shuō)。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(jī)器人的運(yùn)動(dòng)變得無(wú)法預(yù)測(cè)，就好像那些“騷動(dòng)”的氣球人。
“騷動(dòng)”的氣球人
不過(guò)，這種“氣泡澆鑄”制備軟體機(jī)器人的方法無(wú)需復(fù)雜的技術(shù)和昂貴的設(shè)備，能制備幾米長(zhǎng)的氣動(dòng)軟體機(jī)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(kāi)發(fā)更復(fù)雜的操作，拓展應(yīng)用范圍。比如設(shè)計(jì)可連續(xù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人，像百足蟲(chóng)似的向前行走，或是制備帶有腔室驅(qū)動(dòng)器，模擬人類(lèi)心臟的跳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)交替膨脹和收縮。“我們對(duì)這個(gè)問(wèn)題在物理層面上的理解相當(dāng)充分，現(xiàn)在可以探索真正的機(jī)器人技術(shù)了”，Jones說(shuō)[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(xiàn)：
[1] Tiny bubbles help create soft robotics
https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/11/tiny-bubbles-help-create-soft-robotics
