逛遊樂園的記憶裡，也少不了看小醜表演，将一根長長的氣球變成一朵玫瑰、一頂帽子或者可愛的香腸狗。咦，這不就是我們一直在做的柔性材料麼？

或許是受到兒時玩氣球的啟發，美國普林斯頓大學Pierre-Thomas Brun教授課題組用類似玩氣球的方式實現了軟體機器人的制備和可編程驅動，論文近日發表在 Nature 雜志上并被選作當期封面。充氣後，這些“氣球”軟體機器人可以像肌肉一樣伸縮自如，還可以像手指一樣靈活彎曲，甚至恰到好處地取出瓶子裡人手夠不到的小球。

軟體機器人取出小球。圖片來源：Nature

當期封面。圖片來源：Nature

這種軟體機器人的制備方法堪稱簡單方便。首先，将未固化的液體彈性體注入模具，比如封面圖中綠色部分對應的長直細管狀模具；随後在液體彈性體中注入空氣，在模具中形成一個縱向貫穿整個模具的長氣泡。由于重力作用，氣泡逐漸緩慢上升到模具頂部，而液體彈性體流動到模具底部，形成上薄下厚的結構。最後，将液體彈性體固化，上薄下厚的結構保持，得到“氣球”軟體機器人。文中将這一方法稱為“bubble casting”，姑且譯為“氣泡澆鑄”。

軟體機器人的“氣泡澆鑄”及氣動緻動。圖片來源：Nature

有吹氣球經驗的小夥伴都知道，如果氣球薄厚程度不同，吹氣的時候薄的部分更容易膨脹起來，氣球也會因此彎曲變形。與這一現象類似，往固化後的“氣球”軟體機器人中充氣，薄壁部分更容易擴張，使得氣球機器人改變形狀，發生卷曲等機械運動，而且薄厚差别越大，運動越明顯。這一過程即氣動緻動（pneumatic actuation）。這種通過自身彎曲來實現伸縮和拉力在自然界中不乏其例，比如黃瓜藤條上盤旋而升的卷須。結合不同的模具，可以方便地得到不同外形的“氣球”軟體機器人，從而執行不同任務。例如，他們成功地制出了在充氣時能輕輕握住黑莓的星形“手”（下圖a），線圈狀能反複收縮的“肌肉”（下圖b），甚至能夠一根一根地卷起的“手指”（下圖c）。

不同形狀軟體機器人的制備和驅動。圖片來源：Nature

控制“氣球”機器人，實現多功能和可編程，讓它們按照研究者希望的方式運動，隻需要控制不多的一些因素——彈性體流體的直徑、彈性體流體沉降到底部的速度、氣流大小、固化所需時間等。而這一過程中，“流體力學正是關鍵，”Brun教授說。[1] 研究者利用流體力學原理，研究了上述因素對軟體機器人橫截面形狀的影響。

流體決定形狀的模拟與計算。圖片來源：Nature

“氣球”軟體機器人充氣後如何動作是本文研究的重點，這可以讓研究者設計出能執行特定任務的軟體機器人。制備的管狀聚合物材料上薄下厚，充氣時會産生扭矩，這是“氣球”軟體機器人運動的基礎，研究者利用三維有限元模型對其進行模拟以深入了解其機理。“我們可以用任何人都能使用的簡單方程來預測，這些管狀材料在充氣時會發生什麼”，論文作者之一Etienne Jambon-Puillet博士說[1] 。

氣動緻動與彎曲的計算機模拟。圖片來源：Nature

這種“氣球”軟體機器人卷曲運動最大收縮長度可達到初始長度的~80%，這一指标超過目前已報道的其他氣動人造肌肉。通過編程控制，“氣球”軟體機器人不但能完成簡單的重物提取，如提起水瓶；還可以通過拼接，完成複雜的操作，如本文開始時提到的從瓶中抓取小球。

可編程的“氣球”軟體機器人。圖片來源：Nature

當然，這種“氣球”軟體機器人也面臨着一些與我們小時候玩氣球類似的問題。比如充氣過度會導緻氣球爆裂，“造成災難性的失敗” [1] ，論文一作Trevor J. Jones說。還比如，如果存在漏氣的小孔或管道被堵塞住了，也可能使軟體機器人的運動變得無法預測，就好像那些“騷動”的氣球人。

“騷動”的氣球人

不過，這種“氣泡澆鑄”制備軟體機器人的方法無需複雜的技術和昂貴的設備，能制備幾米長的氣動軟體機器人，也非常節省原材料（聚合物管壁厚度僅~100 μm）。下一步，研究者将利用該技術開發更複雜的操作，拓展應用範圍。比如設計可連續運動的機器人，像百足蟲似的向前行走，或是制備帶有腔室驅動器，模拟人類心髒的跳動，實現交替膨脹和收縮。“我們對這個問題在物理層面上的理解相當充分，現在可以探索真正的機器人技術了”，Jones說[1] 。

Bubble casting soft robotics

Trevor J. Jones, Etienne Jambon-Puillet, Joel Marthelot & P.-T. Brun

Nature, 2021, 599, 229–233, DOI: 10.1038/s41586-021-04029-6

參考文獻：

[1] Tiny bubbles help create soft robotics

https://engineering.princeton.edu/news/2021/11/11/tiny-bubbles-help-create-soft-robotics

（本文由小希供稿）

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