機(jī)器人不再硬邦邦：這款3D打印出來的機(jī)器人，全使用柔性材料，外形酷似章魚，無需電力便可自主運(yùn)動(dòng)，材料成本還不到3美元。

 

　　當(dāng)?shù)貢r(shí)間8月24日，通過《自然》雜志的一篇學(xué)術(shù)文章，來自哈佛大學(xué)威斯生物工程研究所的全軟體機(jī)器人“Octobot（章魚機(jī)器人）”，向世人宣告了它的誕生。該文的通訊作者是哈佛大學(xué)的工程師Robert Wood和Jennifer Lewis，在他們的描述中，Octobot是一只僅手掌大、各個(gè)構(gòu)件都不使用硬性材料的自動(dòng)機(jī)器人。

 

　　Robert Wood表示，“和一般的電子回路相比，我們?cè)诨芈分袀鬟f的不是電子，而是液體和氣體。”由硅橡膠制成的Octobot不靠電來驅(qū)動(dòng)，而是通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮，借助壓強(qiáng)變化，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。

 

　　一直以來，災(zāi)險(xiǎn)救援、極端環(huán)境探測(cè)都是人類研發(fā)機(jī)器人的重要應(yīng)用場(chǎng)景，但傳統(tǒng)機(jī)器人的剛性材料經(jīng)不起撞擊，反而在未知的復(fù)雜環(huán)境中“拖后腿”。如果把機(jī)器人的材料替換成柔性的，就可以讓機(jī)器人更好地適應(yīng)外部環(huán)境。

 

　　早在2011年的時(shí)候，該文的第一作者、哈佛大學(xué)助理研究員Michael Wehner就已經(jīng)帶領(lǐng)著他的團(tuán)隊(duì)探索全柔性機(jī)器人。當(dāng)時(shí)他們想的是用常規(guī)的泵閥系統(tǒng)來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，并且需要電纜連接機(jī)器人，這意味著這只是一個(gè)半柔性機(jī)器人。當(dāng)時(shí)橫亙?cè)诳茖W(xué)家面前的難題是，如何將電池和回路用柔性材料代替。

 

　　5年后，Octobot才成為世界上首個(gè)全軟體機(jī)器人。Wehner團(tuán)隊(duì)從章魚身上找到靈感，不僅機(jī)器人的軀干和致動(dòng)器是柔性材料，連控制系統(tǒng)和電源也使用柔性材料，無需再受外置電纜的牽制。

 

　　賦予這只全軟體機(jī)器人“自由”的是化學(xué)反應(yīng)。

 

　　據(jù)《自然》雜志特約作者Helen Shen介紹，Octobot的“大腦”部分是柔性微流體回路，可以用由壓強(qiáng)激活的閥門和開關(guān)，在通道內(nèi)傳導(dǎo)液體燃料。這種液體燃料是50%濃度的過氧化氫溶液，它會(huì)在鉑的催化下快速生成大量的水和氧氣，生成物的體積比原本的反應(yīng)物大，從而改變通道內(nèi)的壓強(qiáng)。章魚機(jī)器人的機(jī)械臂受到突然增大的壓強(qiáng)影響，會(huì)膨脹舒展，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。排氣孔同時(shí)保證氧氣最終會(huì)通過排氣孔排出。

 

　

 

　　50%質(zhì)量比的過氧化氫在鉑金屬粉末的催化下迅速釋放氧氣。來源：DeepTech深科技

 

　　但如何保證章魚機(jī)器人能保持一段時(shí)間而不是一次性的自主運(yùn)動(dòng)？研究團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)是把機(jī)器人的八只機(jī)械臂分為兩批（四只機(jī)械臂為一批），機(jī)械臂中設(shè)置了閥門和開關(guān)。啟動(dòng)Octobot需要實(shí)驗(yàn)者的協(xié)助，將過氧化氫分別注入到兩個(gè)儲(chǔ)液槽中，這兩個(gè)儲(chǔ)液槽分別對(duì)應(yīng)一批機(jī)械臂。注入后，儲(chǔ)液槽會(huì)像氣球一樣會(huì)慢慢膨脹，并利用壓強(qiáng)差將過氧化氫通過微流體回路。這時(shí)，由于壓強(qiáng)的變化，有些機(jī)械臂的控制點(diǎn)會(huì)打開，剩余的會(huì)關(guān)閉，以此確保同一時(shí)間只有一半機(jī)械臂流通燃料。隨著燃料的消耗，所流通的機(jī)械臂內(nèi)部壓強(qiáng)會(huì)下降，使得燃料轉(zhuǎn)而流向另半部分原本關(guān)閉通道的機(jī)械臂。如此往復(fù)，通過精巧的閥門開關(guān)設(shè)計(jì)，利用不斷變化的壓強(qiáng)差，燃料進(jìn)行來回流通，Octobot能保持機(jī)械臂在一段時(shí)間內(nèi)的自主運(yùn)動(dòng)。

 

 

　　通過Octobot的工作機(jī)制可以看到，它內(nèi)部的通道扮演著重要的角色，是它的“大腦”和機(jī)械臂進(jìn)行“通信”的渠道。這些通道都由3D打印而成，打印過程也很有趣。研究者們?cè)谡卖~形狀的模具中倒入了有機(jī)硅聚合物，又在聚合物中注入一種特殊的墨水，這種墨水可以在聚合物中保持形狀和位置。加熱后，墨水會(huì)蒸發(fā)，留下了Octobot內(nèi)部的通道網(wǎng)絡(luò)。制造Octobot的材料成本也很低，只需不到3美元，每份燃料大約僅5美分，這讓大規(guī)模應(yīng)用免去對(duì)高成本的顧慮。

 

　　但目前而言，Octobot還沒有達(dá)到它的最佳狀態(tài)，需要繼續(xù)改善。一次添加的燃料（1毫升）只能維持章魚機(jī)器人大約4-8分鐘的“生命”。就自主運(yùn)動(dòng)而言，也比較單一，還無法實(shí)現(xiàn)自主轉(zhuǎn)向。

 

　　該項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一Robert Wood也表示，Octobot目前還沒有專門為一項(xiàng)操作任務(wù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，只是作為一種技術(shù)的展示。后續(xù)，微流體回路會(huì)升級(jí)得更為精密復(fù)雜，從而確保Octobot能更持久地運(yùn)動(dòng)，再搭配恰當(dāng)?shù)闹w動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的操作。

 

　　除此之外，為了更好適用于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)景，Octobot可能還需要將微流體回路和柔性傳感器結(jié)合，讓全軟體機(jī)器人更智能。