柔軟的水凝膠偽裝機(jī)器人

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如今，機(jī)器人并不只是朝著類(lèi)人機(jī)器人方向發(fā)展，它們還會(huì)模仿海洋生物的樣子。受到柳葉鰻（鰻魚(yú)的透明幼體）的啟發(fā)，MIT工程師們研發(fā)出了多種能夠完成多項(xiàng)任務(wù)——比如游泳、踢橡膠球、捕捉和釋放水中的活魚(yú)等——的柔軟偽裝機(jī)器人。這些機(jī)器人是由什么構(gòu)成的呢？它們完全由透明的水凝膠材料（一種水聚合材料，主要成分是水）制成。

由MIT機(jī)械工程副教授Xuanhe Zhao和研究生Hyunwoo Yuk領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)持久耐用、靈活、同時(shí)又能完成強(qiáng)大任務(wù)的水凝膠配方。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)制造出多種不同種類(lèi)、不同功能的水凝膠機(jī)器人：能夠上下卷曲的附肢；可以來(lái)回?cái)[動(dòng)的鰭狀模型；能夠有效捕捉、釋放的手狀?yuàn)A持器（圖2、圖3和圖4）。

圖1鰻魚(yú)透明幼體（上圖）以及受柳葉鰻啟發(fā)制成的水凝膠致動(dòng)器（下圖）示意圖。/?Yuk等人，2017

這些機(jī)器人通過(guò)液壓水凝膠致動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，而不是現(xiàn)有的滲透驅(qū)動(dòng)型水凝膠致動(dòng)器。由于響應(yīng)時(shí)間和水凝膠致動(dòng)力之間的固有耦合關(guān)系，后者受限于低致動(dòng)力（毫牛頓）和低致動(dòng)速度（響應(yīng)時(shí)間為幾分鐘至幾小時(shí)）。而憑借精確設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動(dòng)型水凝膠允許機(jī)器人擁有更大的致動(dòng)力（超過(guò)1牛）和致動(dòng)速度。這些機(jī)器人還能夠在水中進(jìn)行光學(xué)和聲學(xué)偽裝。

圖2柔軟彎曲致動(dòng)器示意圖/?Yuk等人，2017

每個(gè)機(jī)器人都由柔性彎曲致動(dòng)器組成。彎曲致動(dòng)器的外形尺寸為25 x 150 x 15 mm，由7個(gè)單元段致動(dòng)器串聯(lián)在一起。柔性水凝膠部件擁有液壓腔和液壓連接功能。而剛性水凝膠部件由不易伸長(zhǎng)的元件制成，以在液壓致動(dòng)下實(shí)現(xiàn)彎曲。與現(xiàn)有的滲透水凝膠致動(dòng)器相比，這種宏觀水凝膠致動(dòng)器具有非?？斓倪\(yùn)動(dòng)速度。它可以在不到1秒鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)20度的彎曲動(dòng)作。

注：為了獲得最佳的視覺(jué)效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。

水被泵入致動(dòng)腔，為機(jī)器人提供源動(dòng)力。請(qǐng)看下面的視頻，一根豎直的水凝膠致動(dòng)器在1秒鐘內(nèi)彎曲成一個(gè)完整的圓。隨著水被泵出，致動(dòng)器又在1秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的形狀。而由相同水凝膠制成的滲透型水凝膠致動(dòng)器執(zhí)行相同彎曲運(yùn)動(dòng)所需要的時(shí)間則比上述時(shí)間長(zhǎng)的多（幾個(gè)小時(shí)）。

注：為了獲得最佳的視覺(jué)效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。

在實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)制造了一種水凝膠機(jī)器魚(yú)，可以像真正的魚(yú)一樣游泳；以及一個(gè)手狀水凝膠夾持器，隨著水的泵入和泵出，夾持器可以實(shí)現(xiàn)抓取和釋放功能。

圖3水凝膠機(jī)器魚(yú)示意圖/?Yuk等人，2017

請(qǐng)看下面的視頻，一條水凝膠機(jī)器魚(yú)在彩虹背景下游泳時(shí)保持偽裝狀態(tài)。機(jī)器魚(yú)還能通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)的敏捷尾部動(dòng)作執(zhí)行向前的魚(yú)類(lèi)游動(dòng)。兩個(gè)獨(dú)立的液壓部件控制魚(yú)的液壓動(dòng)作（圖3）。

下圖中的偽裝水凝膠夾持器能夠快速?gòu)澢?，以捕捉、釋放活的金魚(yú)。由于其光學(xué)透明度，水凝膠夾持器在接近水槽中的金魚(yú)時(shí)可以保持偽裝狀態(tài)。水凝膠的敏捷動(dòng)作使得夾持器能夠成功捕獲金魚(yú)，而其固有的柔軟度不會(huì)對(duì)捕獲、釋放的金魚(yú)帶來(lái)任何傷害。

圖4水凝膠夾持器示意圖/?Yuk等人，2017

六個(gè)彎曲致動(dòng)器由一個(gè)液壓輸入端同時(shí)致動(dòng)，從而操作夾持器（圖4）。

水凝膠結(jié)構(gòu)幾乎完全透明，因此在水下可以完全偽裝起來(lái)。它們的聲學(xué)和光學(xué)性質(zhì)也與水幾乎相同。柔性致動(dòng)器和機(jī)器人通常使用諸如Ecoflex和Elastosil這樣的有機(jī)硅彈性體。它們是可拉伸的，但具有光學(xué)不透明度，在可見(jiàn)光范圍內(nèi)的透光率只有5%。然而，PAAm-藻酸鹽水凝膠在可見(jiàn)光范圍內(nèi)擁有高得多的透射率，95%；其反射率（1.3365）也與水的反射率接近（1.333）。PAAm-藻酸鹽水凝膠也具有顯著的聲波特性。水凝膠結(jié)構(gòu)內(nèi)的聲速（1485.7 m/s）幾乎與純水相同（1447.5 m/s）。PAAm-藻酸鹽水凝膠的聲阻抗（z0 = 1.487×106Pa·s-1）與純水的聲阻抗（z0 = 1.448×106Pa·s-1）僅相差約1%。

光學(xué)和反射聲波特性通常用于水下環(huán)境中的感應(yīng)應(yīng)用場(chǎng)景。水凝膠的光學(xué)和聲學(xué)特性與水非常相似，這使得液壓水凝膠致動(dòng)器成為偽裝設(shè)備的完美選擇。據(jù)研究人員介紹，這些基于水凝膠的致動(dòng)器和機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)、可調(diào)光學(xué)、軟電子學(xué)和機(jī)器人學(xué)等領(lǐng)域擁有實(shí)際應(yīng)用意義。

舉個(gè)例子，我們可以進(jìn)一步改善水凝膠器件，將其用于治療用途，比如靶向給藥。由于水凝膠的光學(xué)和聲波透明度，這些器件也可用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高保真光學(xué)和超聲成像。

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設(shè)備升級(jí)版適用于所有熱愛(ài)電子和機(jī)電一體化的人。

審核編輯黃宇