柔軟的多功能機(jī)器人非常小巧

機(jī)器人專家正在設(shè)想一個(gè)未來(lái)，在這個(gè)未來(lái)中，柔軟的，動(dòng)物啟發(fā)的機(jī)器人可以安全地部署在難以進(jìn)入的環(huán)境中，例如人體內(nèi)部或?qū)θ祟悂?lái)說(shuō)太危險(xiǎn)的空間，其中剛性機(jī)器人目前不能用過(guò)的。已經(jīng)創(chuàng)建了厘米大小的軟機(jī)器人，但到目前為止還無(wú)法制造能夠以較小尺寸移動(dòng)和操作的多功能柔性機(jī)器人。

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所，哈佛John A. Paulson工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和波士頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在通過(guò)開(kāi)發(fā)一種能夠設(shè)計(jì)軟機(jī)器人的集成制造工藝來(lái)克服這一挑戰(zhàn)。具有微米級(jí)特征的毫米級(jí)。為了展示他們的新技術(shù)的能力，他們創(chuàng)造了一種機(jī)器人軟蜘蛛 - 靈感來(lái)自毫米大小的彩色澳大利亞孔雀蜘蛛 - 來(lái)自單一的彈性材料，具有塑身，運(yùn)動(dòng)和顏色特征。該研究發(fā)表在Advanced Materials上。

“最小的軟機(jī)器人系統(tǒng)仍然非常簡(jiǎn)單，通常只有一個(gè)自由度，這意味著它們只能驅(qū)動(dòng)一種特定的形狀或運(yùn)動(dòng)類型的變化，”Sheila Russo博士說(shuō)，該研究的作者。Russo在Wyss Institute和SEAS擔(dān)任Robert Wood小組的博士后研究員，現(xiàn)在是波士頓大學(xué)的助理教授。“通過(guò)開(kāi)發(fā)融合了三種不同制造技術(shù)的新混合技術(shù)，我們創(chuàng)造了一種僅由硅橡膠制成的軟機(jī)器人蜘蛛，具有18個(gè)自由度，包括結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)和顏色的變化，以及微米范圍內(nèi)的微小特征。 “

伍德博士是Wyss研究所Bioinspired Soft Robotics平臺(tái)的核心教員和共同領(lǐng)導(dǎo)者，以及SEAS的Charles River工程和應(yīng)用科學(xué)教授。“在軟機(jī)器人設(shè)備領(lǐng)域，這種新的制造方法可以為實(shí)現(xiàn)類似水平的復(fù)雜性和功能鋪平道路，這種復(fù)雜性和功能在這種小規(guī)模上與剛性對(duì)應(yīng)物所展示的一樣。在未來(lái)，它還可以幫助我們模擬和理解結(jié)構(gòu)小型動(dòng)物的功能關(guān)系比剛性機(jī)器人好得多，“他說(shuō)。

在他們用于可重構(gòu)氣動(dòng)/液壓(MORPH)設(shè)備的Microfluidic Origami中，該團(tuán)隊(duì)首先使用軟光刻技術(shù)生成12層彈性硅膠，這些硅膠共同構(gòu)成了軟蜘蛛的材料基礎(chǔ)。使用激光微加工技術(shù)精確地從模具中切割出每一層，然后粘合到下面的一層以形成軟蜘蛛的粗糙三維結(jié)構(gòu)。

將這種中間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為最終設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是預(yù)先設(shè)想的中空微流體通道網(wǎng)絡(luò)，其整合到各個(gè)層中。使用稱為注射誘導(dǎo)自折疊的第三種技術(shù)，加壓一組這些集成的微流體通道，其具有來(lái)自外部的可固化樹(shù)脂。這引起單獨(dú)的層，并且還有它們的相鄰層，以局部彎曲成它們的最終構(gòu)型，當(dāng)樹(shù)脂硬化時(shí)，該構(gòu)造固定在空間中。這樣，例如，軟蜘蛛的腹部腫脹和向下彎曲的腿成為永久性的特征。

“我們可以通過(guò)改變不同層上通道附近的硅樹(shù)脂材料的厚度和相對(duì)一致性，或通過(guò)不同距離通道的激光切割，精確控制折紙式折疊過(guò)程。在加壓過(guò)程中，通道起到執(zhí)行器的作用導(dǎo)致永久性結(jié)構(gòu)變化，“首先和相應(yīng)的作者Tommaso Ranzani博士說(shuō)，他是Wood集團(tuán)的博士后研究員，現(xiàn)在也是波士頓大學(xué)的助理教授。

剩余的一組集成微流體通道被用作額外的致動(dòng)器，以使眼睛著色并通過(guò)流動(dòng)有色流體模擬孔雀蜘蛛物種的腹部顏色圖案; 并引起腿部結(jié)構(gòu)中的行走式運(yùn)動(dòng)。“這個(gè)第一個(gè)MORPH系統(tǒng)是在單個(gè)整體工藝中制造的，可以在幾天內(nèi)完成，并且可以在設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中輕松迭代，”Ranzani說(shuō)。

“MORPH方法可以為那些更專注于醫(yī)療應(yīng)用的研究人員開(kāi)辟軟機(jī)器人領(lǐng)域，這些機(jī)器人的尺寸和靈活性較小，可以為內(nèi)窺鏡和顯微外科提供全新的方法，”Wyss Institute創(chuàng)始總監(jiān)Donald Ingber說(shuō)。醫(yī)學(xué)博士，博士