编辑 | 萝卜皮
传统的刚性机器人有多种用途，例如制造汽车的机器人等。「但他们无法握住你的手，让你在手腕不骨折的情况下移动到某个地方。」化学和生物工程助理教授皮埃尔-托马斯·布伦（Pierre-Thomas Brun）说，「它们天生不适合与柔软的东西互动，比如人类或西红柿。」
普林斯顿大学的研究人员研发了气泡铸造，这是一种使用「花式气球」制造软机器人的新方法，这种气球在充气时会以可预测的方式改变形状。
新系统包括将气泡注入液态聚合物中，让材料凝固并膨胀所得装置，使其弯曲和移动。研究人员使用这种方法来设计和创造抓握的手、拍打的鱼尾和收回球的紧身线圈。
该研究以「Bubble casting soft robotics」为题，于 2021 年 11 月 10 日发布在《Nature》。
简介
受生物体的启发，软体机器人由内在柔顺的材料开发而成，能够模拟动物和植物运动的连续运动。在软机器人中，标准铰链和螺栓被组装到执行器中的弹性体取代，执行器被编程为在施加刺激（例如气动充气）后改变形状。变形信息通常直接嵌入这些执行器的形状中，其组装得益于快速原型技术的最新进展。
然而，这些制造工艺在可扩展性、设计灵活性和稳健性方面存在局限性。在这里，研究人员展示了一种新的多合一方法，用于软机器的制造和编程。该方法不依赖于单个零件的组装，而是利用弹性体中的界面流动，这些弹性体逐渐固化以稳健地生产整体气动执行器，其形状可以轻松定制，以适应从人造肌肉到抓手的应用。
研究人员将执行器组装中的流体力学合理化，并对其随后的变形进行建模。利用这种定量知识对这些软机器进行编程并产生复杂的功能，例如从单调刺激中获得的连续运动。研究人员期望该方法的灵活性、稳健性和预测性能够通过组装复杂的执行器（例如长的、曲折的或血管结构）来加速软机器人的扩散，从而为源自几何和材料非线性的新功能铺平道路。
具体而言
气泡铸造提供了一种简单、灵活的方法来使用流体力学的基本规则（流体物理学）为软机器人创建执行器。该方法使用一种称为弹性体的液体聚合物，该聚合物固化后成为一种橡胶状的弹性材料。它被注射到一个简单的模具中，如吸管或更复杂的形状，如螺旋形或鳍状肢。
图示：从流量到程序驱动
接下来，研究人员将空气注入液体弹性体中，以在模具的整个长度上形成一个长气泡。由于重力，随着弹性体排到底部，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体硬化，就可以将其从模具中取出并用空气充气，这会导致带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。
气泡铸造制造方法
，时长00:35
丙烯酸模具中的曲折通道充满了固化的 VPS 熔体。然后通过通道注入一个细长的气泡。由于重力会导致排水，因此 VPS 薄膜有时间固化。由此产生的软致动器在充气时会弯曲，展示了抓住黑莓的能力。
高纵横比气动肌肉
根据正文中的方程：
在压力 P 下充气执行器与自然曲率 κ 变化的基尔霍夫杆模拟之间的比较。人体尺度的执行器在充气时表现出盘绕行为。假肢模仿具有收缩力的人类手臂。将直径为 12.8 毫米和 1.0 毫米的执行器充气以提起水瓶和回形针。一个高纵横比的弯曲执行器将自己包裹在覆盆子周围，并在没有任何损坏的情况下将其抬起。
数字的顺序驱动
编程逻辑通过示意图表示。在不同的等待时间 τw,i 以顺序方式通过通道数字 （1,2,3,4）注入气泡。随着聚合物熔体交联和在固化时间 τc 发散，随着熔体固化成弹性固体，演化的粘度增加。将空气注入所得的致动器会导致致动器数字的顺序弯曲。
变形为复杂的形状
具有曲折路径的执行器在水中充气。执行器从平面弯曲到位于球体表面的曲线。螺旋形致动器连接到圆形膜上，将杆的局部曲率变化转换为膜的全局弯曲。执行器连接到膜的边缘以执行五面盒的自折叠。两个分支的致动器以尾鳍形状连接到膜的两侧。鳍式执行器在带有示踪粒子的水浴中交替充气。在制造过程中，管状模具在胶凝点旋转 180 度。由此产生的致动器在两个不同的方向弯曲。在制造过程中，一个三段管状模具在凝胶点旋转 180 度和 90 度。由此产生的致动器在三个方向和两个平面上弯曲。
一个由两个执行器组成的模块化软机被编程为使用单个压力源从圆柱形容器中抓取并取回一个球。
编程曲率变化
由气泡铸造制成的直线执行器被编程为具有不同曲率的三个部分（曲率比 4:2:1）。编码是通过以逐步顺序将气泡注入管子来完成的，从而预测最终的薄膜厚度。致动器在水浴上膨胀，形成具有适当曲率的螺旋。
结语
设计软机器人的一项挑战是控制它们的拉伸和变形方式，这决定了它们如何移动。所有机器人都有引起运动的组件，称为执行器。与根据关节以固定方式移动的刚性机器人不同，软机器人中的材料具有以无限多种方式移动和扩展的潜力。
软机器人使用更柔软、更灵活的材料，使其成为需要轻触的应用的理想选择。有一天，它们可能会被用来收获农产品、从传送带上抓取精致的物品或提供个人护理。它们也可能用于医疗保健，例如用于康复的可穿戴外装或环绕心脏以帮助其跳动的植入式设备等。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04029-6
相关报道：https://techxplore.com/news/2021-11-tiny-flexible-soft-robotics.html
