傳統(tǒng)機(jī)器人往往采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制，他們精確有力但卻也蘊(yùn)含危險(xiǎn)，動(dòng)作僵硬。近年機(jī)器人的研究熱點(diǎn)之一便是科學(xué)家們拋棄了傳統(tǒng)的電機(jī)制造的機(jī)器人，開(kāi)始嘗試開(kāi)發(fā)智能材料，來(lái)模仿生物肌肉收縮。

多倫多大學(xué) “材料科學(xué)工程部” 的Hani Naguib教授及其小組提出了一種新型的智能材料并制造了一只軟體機(jī)器人“尺蠖”。這個(gè)機(jī)器人的外表平平無(wú)奇，看起來(lái)如同一片黑色的膠帶，有著四只銅腳。但你可不能小瞧它，借助神奇的“智能材料”技術(shù)，間斷性的通電就可以實(shí)現(xiàn)尺蠖的爬行運(yùn)動(dòng)!

軟體機(jī)器“尺蠖”和真實(shí)的尺蠖對(duì)比

Naguib教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種新穎的方法來(lái)對(duì)智能材料進(jìn)行編程，Naguib他的團(tuán)隊(duì)將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域，創(chuàng)造了可以卷曲的“軟體”驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器在12V的電壓下可實(shí)現(xiàn)540度三維彎曲，并制造了一個(gè)軟體機(jī)器人來(lái)模擬尺蠖蠕蟲爬行的動(dòng)作。Naguib教授認(rèn)為該智能材料還可能被應(yīng)用于航空，手術(shù)以及可穿戴智能設(shè)備中。

Hani Naguib團(tuán)隊(duì)的研究重點(diǎn)之一是電熱執(zhí)行器(electrothermal actuator，簡(jiǎn)稱ETA)，也就是尺蠖機(jī)器人身體的黑色部分。這是一種由特殊聚合物制成的材料，在制作過(guò)程中，對(duì)其材料進(jìn)行特殊的“編程”，從而使它對(duì)外界電或熱的變化做出物理響應(yīng)。例如，可以對(duì)ETA進(jìn)行編程以模仿肌肉反射，在低溫時(shí)收縮，在高溫時(shí)會(huì)舒張，從而通過(guò)控制外界溫度變化，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于材料的“控制”。

小知識(shí)：智能材料多指對(duì)于外界給與的刺激可以做出反應(yīng)(例如收縮，彎曲)的材料，刺激包括光，力，電場(chǎng)，磁場(chǎng)，溫度等。常見(jiàn)的智能材料有形狀記憶合金，形狀記憶高聚物，壓電材料，介電彈性體等。

研究成果由HaniNaguib教授及其團(tuán)隊(duì)于2019年8月份發(fā)表在nature旗下開(kāi)源綜合性期刊“科學(xué)報(bào)告”(scientific report)上。

蠕蟲“爬行”視頻

視頻中運(yùn)動(dòng)分解圖

原理：尺蠖的四只腳是導(dǎo)電的銅片，通電后可以加熱機(jī)器人本體。本體基于形狀記憶原理在常溫下保持彎曲的樣子。每每通過(guò)路徑給它通12V的電壓20s，機(jī)器人受熱會(huì)從彎曲狀態(tài)伸展。20s后停止通電，一段時(shí)間后隨著熱量的消散，它會(huì)再次回到最初記憶的彎曲形狀。尺蠖的尾巴是硬質(zhì)的材料，產(chǎn)生阻力從而推動(dòng)機(jī)器人向前，以此反復(fù)執(zhí)行來(lái)實(shí)現(xiàn)爬行的運(yùn)動(dòng)。

外媒近日也對(duì)該研究以及研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了如題報(bào)道： “像蠕蟲一樣運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人” (Soft robot programmed to move like aninchworm)。小編希望通過(guò)整理該報(bào)道和論文原文內(nèi)容，讓大家可以大致窺探到這只軟體“蠕蟲”的奧秘。

文章第一作者博士生Sun解釋說(shuō)：“現(xiàn)有研究基本上是對(duì)一塊平坦的ETA材料進(jìn)行編程，因此制作的驅(qū)動(dòng)器的響應(yīng)只是二維的彎曲運(yùn)動(dòng)?！毕啾戎拢麄儎?chuàng)造的ETA驅(qū)動(dòng)器有3維的狀態(tài)。他們使用了一種熱致應(yīng)力松弛和固化方法，為復(fù)雜的形狀和運(yùn)動(dòng)提供了更多可能性。Sun還表示：“我們制作的ETA驅(qū)動(dòng)器相對(duì)來(lái)說(shuō)驅(qū)動(dòng)效率也是很大的，要比迄今為止研究文獻(xiàn)中所存在的任何驅(qū)動(dòng)器效率更高?！?/p>

驅(qū)動(dòng)器的顯微鏡圖

如上圖，該研究中提出的新型的ETA是將PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷)層和SWCNT(single-wall carbon nanotubes，單層碳納米管)層通過(guò)特殊的制造方法融合。

可編程的ETA具體展示

ETA由PDMS和SWCNT層混合制造，當(dāng)我們把左圖中兩種材料混合制造的ETA扭曲720度并且通電(7V)加熱一段時(shí)間后，撤掉電源冷卻以后改材料仍然保持原狀(圖4右圖)，這種變形是研究者指出的三維的形狀記憶效果。

純PDMS的薄片

對(duì)PDMS進(jìn)行如之前ETA上上圖的操作，冷卻后沒(méi)有辦法維持720度的扭轉(zhuǎn)(如上右圖)，無(wú)法保持形狀記憶。

ETA驅(qū)動(dòng)器彎曲的視頻

彎曲驅(qū)動(dòng)器的視頻截圖

圖中展示了ETA驅(qū)動(dòng)器在通電加熱的情況下，隨著時(shí)間的變換，驅(qū)動(dòng)器彎曲的變化。