柔軟的水凝膠偽裝機(jī)器人

這篇文章來源于DevicePlus.com英語網(wǎng)站的翻譯稿。

如今，機(jī)器人并不只是朝著類人機(jī)器人方向發(fā)展，它們還會模仿海洋生物的樣子。受到柳葉鰻（鰻魚的透明幼體）的啟發(fā)，MIT工程師們研發(fā)出了多種能夠完成多項任務(wù)——比如游泳、踢橡膠球、捕捉和釋放水中的活魚等——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)隊一直致力于開發(fā)持久耐用、靈活、同時又能完成強(qiáng)大任務(wù)的水凝膠配方。該團(tuán)隊已經(jīng)制造出多種不同種類、不同功能的水凝膠機(jī)器人：能夠上下卷曲的附肢；可以來回擺動的鰭狀模型；能夠有效捕捉、釋放的手狀夾持器（圖2、圖3和圖4）。

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

這些機(jī)器人通過液壓水凝膠致動器實現(xiàn)，而不是現(xiàn)有的滲透驅(qū)動型水凝膠致動器。由于響應(yīng)時間和水凝膠致動力之間的固有耦合關(guān)系，后者受限于低致動力（毫牛頓）和低致動速度（響應(yīng)時間為幾分鐘至幾小時）。而憑借精確設(shè)計的結(jié)構(gòu)，液壓驅(qū)動型水凝膠允許機(jī)器人擁有更大的致動力（超過1牛）和致動速度。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柔軟彎曲致動器示意圖/?Yuk等人，2017

每個機(jī)器人都由柔性彎曲致動器組成。彎曲致動器的外形尺寸為25 x 150 x 15 mm，由7個單元段致動器串聯(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的元件制成，以在液壓致動下實現(xiàn)彎曲。與現(xiàn)有的滲透水凝膠致動器相比，這種宏觀水凝膠致動器具有非?？斓倪\動速度。它可以在不到1秒鐘內(nèi)實現(xiàn)20度的彎曲動作。

注：為了獲得最佳的視覺效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。

水被泵入致動腔，為機(jī)器人提供源動力。請看下面的視頻，一根豎直的水凝膠致動器在1秒鐘內(nèi)彎曲成一個完整的圓。隨著水被泵出，致動器又在1秒鐘內(nèi)恢復(fù)到原來的形狀。而由相同水凝膠制成的滲透型水凝膠致動器執(zhí)行相同彎曲運動所需要的時間則比上述時間長的多（幾個小時）。

注：為了獲得最佳的視覺效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。

在實驗中，研究團(tuán)隊制造了一種水凝膠機(jī)器魚，可以像真正的魚一樣游泳；以及一個手狀水凝膠夾持器，隨著水的泵入和泵出，夾持器可以實現(xiàn)抓取和釋放功能。

圖3水凝膠機(jī)器魚示意圖/?Yuk等人，2017

請看下面的視頻，一條水凝膠機(jī)器魚在彩虹背景下游泳時保持偽裝狀態(tài)。機(jī)器魚還能通過液壓驅(qū)動的敏捷尾部動作執(zhí)行向前的魚類游動。兩個獨立的液壓部件控制魚的液壓動作（圖3）。

下圖中的偽裝水凝膠夾持器能夠快速彎曲，以捕捉、釋放活的金魚。由于其光學(xué)透明度，水凝膠夾持器在接近水槽中的金魚時可以保持偽裝狀態(tài)。水凝膠的敏捷動作使得夾持器能夠成功捕獲金魚，而其固有的柔軟度不會對捕獲、釋放的金魚帶來任何傷害。

圖4水凝膠夾持器示意圖/?Yuk等人，2017

六個彎曲致動器由一個液壓輸入端同時致動，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。它們的聲學(xué)和光學(xué)性質(zhì)也與水幾乎相同。柔性致動器和機(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，在可見光范圍內(nèi)的透光率只有5%。然而，PAAm-藻酸鹽水凝膠在可見光范圍內(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)域擁有實際應(yīng)用意義。

舉個例子，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現(xiàn)實時高保真光學(xué)和超聲成像。

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審核編輯黃宇