吹气球也能上Nature封面普林斯顿大

2022/10/24 来源：不详

用气球能做机器人吗？

只要你敢想，吹气球还能登上《Nature》封面！

普林斯顿大学的研究人员算是把气球玩明白了，“花式气球”机器人可以卷曲成一只手，轻轻的握起一颗树莓。

变换下造型，像不像一个扇贝，可以温柔地包裹物体。

除了“温柔”这一特性外，它还可以很有力，比如充当机器人的“肱二头肌”。

可以制成有力拍打的鱼尾，尽情地在水下遨游。

这是一个使用气泡铸造方法制造的软体机器人，“花式气球”机器人在被充气时会以可预测的方式改变形状。目前，这一研究成果发表在《Nature》杂志上。

▍软体机器人的“吹气球”控制术

制造这样一个软体机器人有什么用处呢？

从前，刚性机器人在机器人领地占主导位置，但它天生和柔软脆弱的东西不合拍，而软体机器人使用更柔软、更灵活的材料，与物品交互的过程中中更“贴心”。

设计软体机器人的一项挑战是如何控制它们的拉伸和变形方式，这决定了它们如何移动。

普林斯顿大学的这种“吹气球”方法使用流体力学的基本规则——流体物理学，为软体机器人创建执行器。研究人员使用了一种称为弹性体的液体聚合物，该聚合物固化后会成为橡胶状的弹性材料，可以被注射到一个简单的模具中，例如五角星气球。

接下来，研究人员将空气注入液体弹性体中，这样就在模具的整个长度上形成了一个长气泡。

由于重力，当弹性体排到底部时，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。

一根根卷起的“手指”，就像弹钢琴一样

通过控制一些因素——涂在模具上的弹性体的厚度、弹性体沉降到底部的速度以及固化所需的时间，研究人员可以决定所产生的致动器将如何移动。换句话说，是流体力学正在做这项工作。

“如果在固化前允许更多的时间让聚合物残留物排出，顶部的薄膜会更薄；薄膜越薄，当你给它充气时它会拉伸得越多，并导致更大的整体弯曲，”第一作者特雷弗·琼斯(TrevorJones)解释说。

▍灵活扩展，未来可用于多种用途

这种“吹气球”的铸造方法的一个主要优点是它不需要3D打印机、激光切割机或其他通常用于软体机器人的昂贵设备；同时，该系统是可扩展的，它可以被制作成几米长的执行器，也可以变成像头发丝一样细小。

瑞士洛桑EPFL流体动力学教授弗朗索瓦·加莱尔(FranoisGallaire)评论道：“真正聪明的是这种仅通过自然流体运动来塑造结构的想法。”“这些工艺将在许多不同的规模上发挥作用，包括非常小的东西。这很令人兴奋，因为用典型的制造方法做出这种执行器非常困难。”

尽管灵活性好、成本低，但气泡铸造方法也有其局限性。到目前为止，研究人员成功地制造了几米长的弹性体填充管，然而一旦过度充气会导致气球爆裂。“失败是相当灾难性的，”琼斯说。

接下来，该小组将使用他们的系统来创建更复杂的执行器并探索新的应用，例如创建带有腔室的执行器，这些腔室使用单个压力源使它们膨胀，从而模拟人类心脏的跳动，交替收缩和放松。