三年前，迪士尼出品了動(dòng)畫電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》，其中的機(jī)器人大白，萌翻了廣大群眾。
大白是一種典型的軟體機(jī)器人，身體可任意變形。圖片來(lái)源: Disney Wiki
大白是一個(gè)醫(yī)療機(jī)器人，如果在材質(zhì)上分類，他屬于軟體機(jī)器人。傳統(tǒng)機(jī)器人大多采用金屬或塑料等材料制造，給人的感覺總是“硬邦邦”的。而軟體機(jī)器人往往非常柔軟，整個(gè)機(jī)體能任意彎曲變形，可以在管道或窄縫等特殊場(chǎng)景中發(fā)揮用處。
五花八門的軟體機(jī)器人。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[1]
目前，制造軟體機(jī)器人的材料通常是彈性高分子材料。這類材料彈性十足，然而卻很容易受損，特別是出現(xiàn)了微小缺口的時(shí)候，極易“惡化”，形成大面積破損。這也是包裝袋從小缺口處一撕就開的原理。
此外，大多數(shù)軟體機(jī)器人都不具有馬達(dá)等動(dòng)力裝置，只能依靠壓縮空氣或液體驅(qū)動(dòng)機(jī)體運(yùn)動(dòng)[2]，運(yùn)行中的軟體機(jī)器人就如同一個(gè)吹鼓了的氣球。然而，軟體機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景往往充滿了尖銳的物體——比如管道或者狹窄空間的邊邊角角——也就是說(shuō)，這個(gè)吹鼓了的氣球還必須在釘子堆里工作?？上攵?，軟體機(jī)器人大多“短命”。
為了解決這一問(wèn)題，來(lái)自比利時(shí)自由大學(xué)的研究人員提出了使用自修復(fù)（self-healing）材料來(lái)制造軟體機(jī)器人的構(gòu)想[2]。
自修復(fù)材料是指具有自愈合能力的智能材料，其靈感來(lái)源于受傷后能自我修復(fù)的生物體。這一概念在2001年一經(jīng)提出，立刻吸引了大量研究者的目光?，F(xiàn)如今，已經(jīng)有很多種自修復(fù)材料得到了應(yīng)用，比如汽車的自修復(fù)涂層，能愈合劃痕的手機(jī)蓋等。具備自修復(fù)能力的瀝青和混凝土，也走出了實(shí)驗(yàn)室，正在準(zhǔn)備進(jìn)入建材市場(chǎng)。值得一提的是，極具潛力的人造皮膚首選材料也是可拉伸的自修復(fù)膜[3]。
在比利時(shí)自由大學(xué)的研究中，科學(xué)家們使用了一種高分子自修復(fù)材料。這種材料由兩種小分子（呋喃、馬來(lái)酰亞胺）通過(guò)Diels-Alder（DA）鍵相互連接形成。材料出現(xiàn)傷口，其實(shí)是這些DA鍵被切斷了。幸好，通過(guò)加熱，可以讓這些DA重新連接起來(lái)。具體來(lái)說(shuō)，就是升高傷口部位的溫度（至80℃），破壞更多DA鍵。正所謂“不破不立”，這些DA鍵斷了后，釋放出很多可以自由運(yùn)動(dòng)的呋喃和馬來(lái)酰亞胺小分子。而且也因?yàn)闇囟雀叩木壒?，這些小分子的移動(dòng)速度很快，如同熱鍋上的螞蟻。于是，這些自由奔跑的小分子們相互碰撞交融。之后把溫度降下來(lái)，小分子之間就可以生成新的DA鍵，自動(dòng)愈合傷口。
基于DA反應(yīng)的自修復(fù)原理：紅臉的呋喃，綠臉的馬來(lái)酰亞胺。圖片來(lái)源：圓的方塊靈魂手繪
視頻：高倍顯微鏡下觀察材料的自修復(fù)過(guò)程
在高倍顯微鏡下，可以更為細(xì)致地觀測(cè)到這個(gè)愈合過(guò)程。畫面正中，一條切口將的材料分成了左右兩半，為了加強(qiáng)對(duì)比，研究者還將兩邊渲染成了不同的顏色。隨著溫度的逐漸升高，材料會(huì)“唰”地一下變色，這暗示著是更多DA鍵的斷裂。緊接著，將溫度降低，左右兩邊材料相交的界面開始重新粘結(jié)，顏色發(fā)生了明顯變化。隨著新DA鍵的產(chǎn)生，原本的切口會(huì)如同被一只無(wú)形的手所抹平。視頻來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]
科學(xué)家們將這種帶有自修復(fù)能力的高分子，加工成了一種由一排空腔和底層連接板組成的特殊構(gòu)造。其中，底層板中相應(yīng)位置有氣孔，可以向空腔內(nèi)注入或抽取空氣，讓空腔膨脹或者收縮。通過(guò)精確控制各個(gè)小空腔的體積，就可以實(shí)現(xiàn)空腔陣列的變形和移動(dòng)。
自修復(fù)材料制作的氣動(dòng)部件：空腔陣列和底層板。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]
隨后，研究人員用這一串串的空腔陣列，組裝出了兩種特殊的機(jī)器人。
第一種是自愈軟手。手型機(jī)器人在實(shí)際操作過(guò)程中往往碰到很多尖銳物體，如金屬邊緣或破碎的玻璃等。甚至一張紙的鋒利邊緣都會(huì)對(duì)這類軟體機(jī)器人造成傷害。但通過(guò)自修復(fù)材料做成的手型機(jī)器人，即使被刀片劃破，也能照常運(yùn)行，極大提升了軟手的使用壽命。
視頻：具有自修復(fù)能力的機(jī)器軟手
具有自修復(fù)能力的機(jī)器軟手，即使戳破指頭也不妨礙運(yùn)動(dòng)。視頻來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]
第二種是氣動(dòng)夾具類機(jī)器人。這類夾具類似夾娃娃機(jī)的機(jī)器手，因?yàn)榉浅ｌ`活，可以處理各種軟物體或形狀復(fù)雜的物品，比如用來(lái)分裝水果或蔬菜。在這個(gè)過(guò)程中，水果的樹枝等往往會(huì)對(duì)夾具造成損害。使用DA聚合物材料的夾具，不僅能夠夾“萬(wàn)物”，還不怕這種日常磨損。
自修復(fù)氣動(dòng)夾具在夾取形狀不規(guī)則的各種物體。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2]
除此以外，研究者們還測(cè)試了自修復(fù)材料作為氣動(dòng)人造肌肉的潛力。這種人造肌肉經(jīng)常用作機(jī)器人的動(dòng)力裝置，通過(guò)壓縮和排出空氣，可以產(chǎn)生很大的推力。當(dāng)然，產(chǎn)生的力量越大，裝置外壁需要承受的壓力也就越大，這往往會(huì)導(dǎo)致磨損或泄漏，降低人造肌肉的生命周期。
于是，科學(xué)家嘗試了用DA聚合物膜作為人造肌肉的外壁。這層厚度僅為0.75mm的外壁，最高可承受高達(dá)37kPa的壓力。相當(dāng)于一平方米的這種薄膜，可以承受一頭成年亞洲象的重量。即使被破壞了，這些人造肌肉也能自我修復(fù)，保持氣密性，維持原有的性能[2]。
受損的人造肌肉經(jīng)過(guò)自修復(fù)，仍能保持原有性能。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)[2] | 翻譯：圓的方塊
如果軟體機(jī)器人達(dá)到了使用目的，想要回收材料怎么辦？這也好辦。DA聚合物不但可以溶解于有機(jī)溶劑，還能被重新提取，所以，一旦達(dá)到使用壽命，軟體機(jī)器人的這些自愈組件可以完全回收再利用。
生命周期長(zhǎng)，還能被循環(huán)利用，可以說(shuō)生的偉大，死的光榮了。
這項(xiàng)研究的通訊作者是布魯塞爾自由大學(xué)的教授Bram Vanderborght ，他本人長(zhǎng)這樣！
Bram教授本人照片，圖片來(lái)源: Wtnschp.be
Bram教授是一個(gè)80后，研究領(lǐng)域包括人機(jī)交互，機(jī)器人輔助治療，人形康復(fù)機(jī)器人等。他還主導(dǎo)過(guò)一個(gè)機(jī)器人項(xiàng)目用來(lái)治療兒童自閉癥。簡(jiǎn)言之，他就是在造大白??！
好吧，人贏，我服還不行嗎！
