編輯 | 蘿蔔皮
傳統的剛性機器人有多種用途，例如製造汽車的機器人等。「但他們無法握住你的手，讓你在手腕不骨折的情況下移動到某個地方。」化學和生物工程助理教授皮埃爾-托馬斯·布倫（Pierre-Thomas Brun）說，「它們天生不適合與柔軟的東西互動，比如人類或蕃茄。」
普林斯頓大學的研究人員研發了氣泡鑄造，這是一種使用「花式氣球」製造軟機器人的新方法，這種氣球在充氣時會以可預測的方式改變形狀。
新系統包括將氣泡注入液態聚合物中，讓材料凝固並膨脹所得裝置，使其彎曲和移動。研究人員使用這種方法來設計和創造抓握的手、拍打的魚尾和收回球的緊身線圈。
該研究以「Bubble casting soft robotics」為題，於 2021 年 11 月 10 日釋出在《Nature》。
簡介
受生物體的啟發，軟體機器人由內在柔順的材料開發而成，能夠模擬動物和植物運動的連續運動。在軟機器人中，標準鉸鏈和螺栓被組裝到執行器中的彈性體取代，執行器被程式設計為在施加刺激（例如氣動充氣）後改變形狀。變形資訊通常直接嵌入這些執行器的形狀中，其組裝得益於快速原型技術的最新進展。
然而，這些製造工藝在可擴充套件性、設計靈活性和穩健性方面存在侷限性。在這裡，研究人員展示了一種新的多合一方法，用於軟機器的製造和程式設計。該方法不依賴於單個零件的組裝，而是利用彈性體中的介面流動，這些彈性體逐漸固化以穩健地生產整體氣動執行器，其形狀可以輕鬆定製，以適應從人造肌肉到抓手的應用。
研究人員將執行器組裝中的流體力學合理化，並對其隨後的變形進行建模。利用這種定量知識對這些軟機器進行程式設計併產生複雜的功能，例如從單調刺激中獲得的連續運動。研究人員期望該方法的靈活性、穩健性和預測效能夠透過組裝複雜的執行器（例如長的、曲折的或血管結構）來加速軟機器人的擴散，從而為源自幾何和材料非線性的新功能鋪平道路。
具體而言
氣泡鑄造提供了一種簡單、靈活的方法來使用流體力學的基本規則（流體物理學）為軟機器人建立執行器。該方法使用一種稱為彈性體的液體聚合物，該聚合物固化後成為一種橡膠狀的彈性材料。它被注射到一個簡單的模具中，如吸管或更復雜的形狀，如螺旋形或鰭狀肢。
圖示：從流量到程式驅動
接下來，研究人員將空氣注入液體彈性體中，以在模具的整個長度上形成一個長氣泡。由於重力，隨著彈性體排到底部，氣泡慢慢上升到頂部。一旦彈性體硬化，就可以將其從模具中取出並用空氣充氣，這會導致帶有氣泡的薄面在較厚的底座上拉伸和捲曲。
氣泡鑄造製造方法
，時長00:35
丙烯酸模具中的曲折通道充滿了固化的 VPS 熔體。然後透過通道注入一個細長的氣泡。由於重力會導致排水，因此 VPS 薄膜有時間固化。由此產生的軟致動器在充氣時會彎曲，展示了抓住黑莓的能力。
高縱橫比氣動肌肉
根據正文中的方程：
在壓力 P 下充氣執行器與自然曲率 κ 變化的基爾霍夫杆模擬之間的比較。人體尺度的執行器在充氣時表現出盤繞行為。假肢模仿具有收縮力的人類手臂。將直徑為 12.8 毫米和 1.0 毫米的執行器充氣以提起水瓶和回形針。一個高縱橫比的彎曲執行器將自己包裹在覆盆子周圍，並在沒有任何損壞的情況下將其抬起。
數字的順序驅動
程式設計邏輯透過示意圖表示。在不同的等待時間 τw,i 以順序方式透過通道數字 （1,2,3,4）注入氣泡。隨著聚合物熔體交聯和在固化時間 τc 發散，隨著熔體固化成彈性固體，演化的粘度增加。將空氣注入所得的致動器會導致致動器數字的順序彎曲。
變形為複雜的形狀
具有曲折路徑的執行器在水中充氣。執行器從平面彎曲到位於球體表面的曲線。螺旋形致動器連線到圓形膜上，將杆的區域性曲率變化轉換為膜的全域性彎曲。執行器連線到膜的邊緣以執行五面盒的自摺疊。兩個分支的致動器以尾鰭形狀連線到膜的兩側。鰭式執行器在帶有示蹤粒子的水浴中交替充氣。在製造過程中，管狀模具在膠凝點旋轉 180 度。由此產生的致動器在兩個不同的方向彎曲。在製造過程中，一個三段管狀模具在凝膠點旋轉 180 度和 90 度。由此產生的致動器在三個方向和兩個平面上彎曲。
一個由兩個執行器組成的模組化軟機被程式設計為使用單個壓力源從圓柱形容器中抓取並取回一個球。
程式設計曲率變化
由氣泡鑄造製成的直線執行器被程式設計為具有不同曲率的三個部分（曲率比 4:2:1）。編碼是透過以逐步順序將氣泡注入管子來完成的，從而預測最終的薄膜厚度。致動器在水浴上膨脹，形成具有適當曲率的螺旋。
結語
設計軟機器人的一項挑戰是控制它們的拉伸和變形方式，這決定了它們如何移動。所有機器人都有引起運動的元件，稱為執行器。與根據關節以固定方式移動的剛性機器人不同，軟機器人中的材料具有以無限多種方式移動和擴充套件的潛力。
軟機器人使用更柔軟、更靈活的材料，使其成為需要輕觸的應用的理想選擇。有一天，它們可能會被用來收穫農產品、從傳送帶上抓取精緻的物品或提供個人護理。它們也可能用於醫療保健，例如用於康復的可穿戴外裝或環繞心臟以幫助其跳動的植入式裝置等。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04029-6
相關報導：https://techxplore.com/news/2021-11-tiny-flexible-soft-robotics.html