普林斯顿研究人员发明了气泡铸造，这是一种利用“花式气球”制造软体机器人的新方法，当充气时，气球会以可预测的方式改变形状。新系统包括向液体聚合物中注入气泡，让材料固化，并给最终设备充气，使其弯曲和移动。研究人员用这种方法设计并创造了一种可以抓握的韩式机器人，一种可以拍打的鱼尾和可以取回球的细长线圈。他们希望11月10日发表在《自然》杂志上的这种简单而通用的方法能够加速新型软机器人的发展。
传统的刚性机器人有多种用途，比如制造汽车。“但他们将无法握住你的手，让你在不折断手腕的情况下移动到某个地方，”化学和生物工程助理教授、这项研究的首席研究员皮埃尔-托马斯·布伦(Pierre-Thomas Brun)说。“它们天生不适合与柔软的东西互动，比如人类或西红柿。”
柔软的机器人使用柔软的材料，使它们适合需要轻柔触摸的应用。有一天，它们可能会被用来收获农产品，从传送带上抓取精致的物品，或者提供个人护理。它们也可能在医疗保健中有用，例如用于康复的可穿戴外套或包裹心脏以帮助其跳动的可植入设备。
设计软机器人的一个挑战是控制它们如何伸展和变形，这决定了它们如何移动。所有机器人都有引起运动的部件，称为执行器。与依靠关节以固定方式移动的刚性机器人不同，软机器人中的材料具有以无限多种方式移动和扩展的潜力。
气泡铸造提供了一种简单、灵活的方法，利用流体力学的基本规则——流体物理学——为软机器人创建致动器。这种方法使用一种叫做e弹性体的液体聚合物，它固化后变成一种橡胶状的弹性材料。它被注射到一个像吸管一样简单的模具中，或者一个更复杂的形状，像螺旋或鳍状肢。接下来，研究人员向液体弹性体中注入空气，在模具的整个长度上形成一个长气泡。由于重力的作用，当弹性体排到底部时，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体变硬，它可以从模具中取出，用空气充气，这导致带有气泡的薄面在较厚的基底上拉伸和卷曲。
通过控制几个因素——覆盖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需要多长时间——研究人员可以决定最终的致动器将如何移动。换句话说，“流体力学在做功，”布伦说。
“如果在固化前让它有更多的时间排水，顶部的薄膜会更薄。第一作者崔佛·琼斯是化学和生物工程专业的研究生，他解释说:“薄膜越薄，充气时就会拉伸越多，导致整体弯曲越大。”。
研究小组利用气泡铸造技术创造了软机器人，能够在充气时抓取和举起球。功劳:普林斯顿大学研究人员成功铸造了轻轻握住黑莓手机的星形“手”，一个像肌肉一样收缩的线圈，甚至还有一组随着整个系统充气而一个接一个卷曲的“手指”，就像在弹钢琴一样。
本文中的致动器在充气时会变形，但其他软机器人系统采用磁场、电场或温度或湿度的变化。
这项工作的很大一部分是弄清楚机器人充气后的行为，以便研究人员能够设计出具有特定动作的软执行器。合著者艾蒂安·占本-普伊莱特(Etienne Jambon-Puillet)是布伦团队的博士后研究员，他与琼斯合作开发了该系统的计算机模拟。
Jambon-Puillet说:“我们可以用一个任何人都能使用的简单方程来预测会发生什么。“我们现在非常理解当我们给这些管状材料充气时会发生什么。”
气泡铸造的一个主要优点是，它不需要3D打印机、激光切割机或其他通常用于软机器人的昂贵工具。该系统也是可扩展的。它有可能制造出几米长的执行器，其特征薄至100微米——几乎和人的头发一样小。
瑞士洛桑EPFL大学流体动力学教授弗朗索瓦·加莱(Franois Gallaire)没有参与这项研究，他说:“真正聪明的是这种仅仅通过自然流体运动来塑造结构的想法。“这些过程将在许多不同的尺度上起作用，包括非常微小的东西。这很令人兴奋，因为用典型的制造方法铸造这些管子可能真的很困难，所以有潜力制造非常小的管子。”
尽管具有灵活性，但气泡铸造也有其局限性。到目前为止，研究人员已经成功地迫使气泡穿过几米长的充满弹性体的管道。此外，过度膨胀会导致气球爆裂。“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。他们感兴趣的是设计能以连续波移动的致动器，比如行走的千足虫的波纹脚。另一种可能性是制造带有腔室的致动器，这些腔室交替收缩和放松，使用单一压力源给它们充气，模仿人类心脏的跳动。
“我们在物理层面上非常理解这个问题，”琼斯说，“所以现在可以真正探索机器人技术了。”
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