吹气球也能上Nature封面!普林斯顿大学开发“花式气球”软机器人

吹气球也能上Nature封面!普林斯顿大学开发“花式气球”软机器人

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(Trevor Jones) 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(François Gallaire)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。

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