小气泡：研究人员开发了一种用于制造软机器人的柔性新系统

江苏激光联盟导读：

普林斯顿大学的研究人员发明了一种新方法，可以制造软体机器人。

图片来自Patricia Waldron, Princeton University

普林斯顿大学的研究人员发明了气泡铸造法，这是一种利用“奇特的气球”制造软机器人的新方法，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，让材料凝固，并对产生的装置充气，使其弯曲和移动。研究人员利用这种方法设计并制造出了能抓握的手、能拍打的鱼尾和能捡回球的弹簧状线圈。方法发表在11月10日《Nature》杂志上。他们这种简单而通用的方法能加速新型软机器人的发展。

a，气泡铸造制造方法示意图。在先前浸满聚合物熔体的模具中注入气泡(i)。聚合物排水管(ii)和固化的残留物提供了一个各向异性驱动器，可以在脱模时很容易地使用，例如作为夹持器(iii)(标尺，1厘米)。b，长驱动器的收缩盘绕屈服:(i)肌肉样收缩和(ii)线性平移(标尺，5厘米)。c，气泡铸造动力学用于编程执行器的变形，即通过一个简单的压力坡道(比例尺，1cm)显示充气后四个标记数字的顺序弯曲。d，曲线驱动器(实验和数值模拟)浸在密度匹配流体(比例尺，2cm)中的变形动力学。e，螺旋形驱动器(i)和交叉状驱动器(ii)，均附着在薄膜上(比例尺，2厘米)。f，“鱼尾”运动是通过在分支网络(比尺，1厘米)中气泡浇铸得到的。g，执行器显示在聚合物的凝胶点旋转模具获得的等量但相反的曲率(标尺，1cm)(见补充视频4)。

传统的刚性机器人有多种用途，比如制造汽车。该研究的首席研究员、化学和生物工程助理教授Pierre-Thomas Brun说:“但它们不可能握住你的手，让你在移动时不伤到手腕。”“它们天生就不适合与人类或番茄等软性物质互动。”

软机器人使用粘稠、柔韧的材料，这使得它们适合需要温柔触摸的应用。它们可能有一天会被用来收获农产品，从传送带上抓取精致的物品或提供个人护理。它们也可能在医疗保健方面有用，比如用于康复的可穿戴外带服，或者包裹心脏以帮助其跳动的植入式装置。

设计软机器人的一个挑战是如何控制它们的拉伸和变形，这决定了它们的移动方式。所有机器人都有引起运动的部件，称为驱动器。与依靠关节以固定方式移动的刚性机器人不同，软机器人的材料有可能以无限多种方式移动和扩展。

a，Bretherton问题示意图和随后最终截面后排水的照片。等待时间τw = 300 s，半径R = {3.2, 2.4, 1.6} mm的VPS-32驱动器，红线表示我们的预测(见方法部分“匹配半月板和薄膜”)。b，无量纲布瑞瑟顿膜厚度hi/R与毛细管数Ca=μU/γ的关系。hi/R数据的误差条代表了沿执行器不同位置的三个测量值的标准偏差。CA数据的误差条代表了传播的实验不确定性。实线是理论(方程(1))，β=2.65。c，样品薄膜厚度的标绘相对于圆心角ψ。红线为理论预测(与a相同)。d，一米长的样品膜hf的平均厚度(R = 2.4 mm)。黑线表示我们的预测，绿带表示方程(2)中参数的不确定性。

气泡铸造提供了一种简单、灵活的方法，利用流体力学(流体物理学)的基本规则为软机器人创建致动器。这种方法使用一种叫做弹性体的液体聚合物，经过固化后变成一种有弹性的材料。它被注射到一个简单的模子里，比如一根吸管，或者一个更复杂的形状，比如螺旋形或鳍状。接下来，研究人员将空气注入液体弹性体中，在整个模具中形成一个长长的气泡。由于重力的作用，当弹性体流到底部时，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体变硬，就可以把它从模具中拿出来，用空气充气，这样就可以使带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。

a、 静止和恒压充气的VPS-16致动器图片：致动器以均匀曲率κ弯曲（比例尺，1 厘米）。插图：致动器曲率κ作为施加压力P的函数，厚度独立变化：hf = {130, 165, 273} µm。b、 重新标度的无量纲曲率κR2/hf与重新标度的压力PR/Ghf作图。蓝色实线对应于相关参数范围内的能量最小化理论（方法方程（15））（参见方法章节“能量最小化”）。虚线是标度定律方程（3），前置因子为0.52。灰色阴影区域表示传播的实验不确定性。c、 VPS-08致动器静止并在闭锁力配置下充气的图片（比例尺，1 厘米）。对几个执行器测量力F，并在d中报告。黑色（分别为红色虚线）表示线性（非线性）束流理论预测（见方法章节“致动器为基尔霍夫杆”）。阴影区域表示传播的实验不确定性。

通过控制几个因素——涂层弹性体的厚度、弹性体下沉的速度以及固化所需的时间——研究人员可以决定最终的驱动器将如何移动。换句话说，“流体力学正在起作用，” Brun说。

“如果在固化前允许更多的时间排干，顶部的薄膜会变薄。薄膜越薄，当你膨胀它时，它就会拉伸得越多，导致整体弯曲更大，”化学和生物工程研究生、第一作者Trevor Jones解释说。

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该研究小组利用气泡铸造技术创造出了能够在充气时抓住并举起球的软机器人。来源：Princeton University

研究人员成功地塑造出星形“手”，它轻轻握住黑莓，像肌肉一样收缩的线圈，甚至是一组“手指”，当整个系统膨胀时，一根一根地卷起，就像弹钢琴一样。

本文中的致动器在充气时会发生变形，但其他的软机器人系统采用磁场、电场或温度或湿度变化。

这项工作的很大一部分是弄清楚机器人一旦充气后会如何行动，以便研究人员能够设计具有特定动作的软致动器。作者之一Jambon-Puillet是Brun小组的博士后研究员，他和Jones一起开发了一个计算机模拟系统。

Jambon-Puillet说:“我们可以用一个任何人都可以使用的简单等式来预测将会发生什么。现在很清楚，当我们给这些管状物质充气时会发生什么。”

气泡铸造的一个主要优势是它不需要3D打印机、激光切割机或其他软机器人通常使用的昂贵工具。该系统也是可扩展的。它有可能产生几米长、100微米细的致动器——几乎和人类的头发一样小。

瑞士EPFL流体动力学教授François Gallaire没有参与这项研究，但他肯定了这个试验。“真正聪明的想法是，仅仅通过自然流体运动来塑造结构，这些过程将在许多不同的规模上发挥作用，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非常困难，所以有可能制造出非常小的管子。”

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让一个气泡穿过几米长的填充橡胶的管道。此外，过度膨胀会导致气球破裂。“失败是相当灾难性的，” Jones说。

接下来，该团队将使用他们的系统来创建更复杂的驱动器，并探索新的应用。他们感兴趣的是设计一种能像千足虫那样在连续的波中一起移动的致动器。另一种可能是制造带有心室的致动器，利用单一压力源交替收缩和放松，模拟人类心脏跳动。

Jones说:“我们在物理层面上非常了解这个问题，所以现在机器人真的可以探索了。”

来源：Bubble casting soft robotics, Nature (2021). DOI:10.1038/s41586-021-04029-6. www.nature.com/articles/s41586-021-04029-6

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