新型機器人：採用響應型材料，在水中自動推進！

導讀

近期，美國加州理工學院與瑞士蘇黎世聯邦理工學院開發出一種能靠自力推進的機器人，它無需使用任何馬達、伺服或者電源。取而代之的是，這種機器人的材料隨著溫度變化而產生變形，從而首次使它實現了自動划水。

背景

一般來說，機器人的行動與工作往往需要依賴馬達、伺服或者電源。但是，也有些機器人可以擺脫這些複雜的設備，靠「自己的力量」行動。

例如，筆者之前介紹過波蘭華沙大學物理學院的科研人員採用液晶彈性體技術開發出柔性毛蟲機器人，它的身體由光敏彈性體和分子排列而成的條紋構成。

液晶彈性體，是一種能在可見光照射下，產生巨大形變的智能物質。光致變形，可讓機器人開展一系列複雜動作。例如，機器人將可以爬上斜坡，緊縮身體穿過狹縫，以及推動十倍於自身重量的對象。

(圖片來源：華沙大學物理學院)

創新

華沙大學開發的機器人所響應的環境因素是光線，然而今天我要為大家介紹一款響應溫度變化的自力推進機器人。

(圖片來源：Tian Chen 和 Osama R. Bilal)

近期，美國加州理工學院與瑞士蘇黎世聯邦理工學院開發出一種能靠自力推進的機器人，它無需使用任何馬達、伺服或者電源。取而代之的是，構造這種機器人的材料會隨著溫度變化而產生變形，從而使得機器人首次實現自動划水。

一篇揭示此類機器人的相關論文發表於5月15日的《Proceedings of the National Academy of Sciences》雜誌。

技術

這種新型推進系統依賴於柔性聚合物條帶，它受冷時會捲縮，受熱時會伸展。聚合物用於激活機器人體內的開關，它相應地粘貼於船槳，船槳使它像小船一樣向前划動。

(圖片來源：加州理工學院)

開關由雙穩態元素製成，這是一種具有兩種不同的穩定幾何形狀的成分。在這個案例中，它由彈性材料條帶構成，當受到聚合物推動時，會從一個位置迅速切換到另一個位置。

(圖片來源：加州理工學院)

(圖片來源：加州理工學院)

當冷的機器人放置在熱水中時，聚合物會伸展開來，激活開關，從而突然釋放大量能量推進機器人前進。聚合物條帶也可以通過「調整」，每次作出不同的響應。也就是說，相比於較薄的條帶，較厚的聚合物條帶將需要更長時間加熱，舒展，並最終激活機器人的槳。這種可調諧性使得團隊可以設計出以不同速度轉向和移動的機器人。

(圖片來源：加州理工學院)

這項研究建立在加州理工學院應用科學與工程系機械工程與應用物理教授、論文通信作者 Daraio 和加州理工學院航空航天學教授 Dennis Kochmann 之前的研究基礎上。他們採用雙穩態元素鏈傳輸信號，構建類似計算機的邏輯門。

在最新的迭代設計中，Daraio 團隊與合作者們能連接聚合物元素，並以一種特殊的切換方式讓四槳機器人依靠自力推進，向前行駛，卸下小型裝載物（這個案例中，是刻有加州理工學院印章的標記物），然後在向後滑動行駛。

(圖片來源：加州理工學院)

價值

這項研究模糊了材料與機器人之間的界限。在自力推進的設備中，材料自身就可以使得機器工作。

Daraio 表示：「我們的案例展示了，我們可以採用響應環境因素而產生形變的結構化材料，控制並推進機器人。」

論文共同第一作者、加州理工學院博士後訪問學者 Osama R. Bilal 表示：「通過讓簡單的運動結合到一起，我們能將程序嵌入到材料中，展開一系列複雜動作。」

未來

未來，研究人員還將增加更多的功能與響應，例如採用對於pH 值或鹽分等其他環境因素作出響應的聚合物。研究人員稱，未來版本的機器人將容納化學滴漏物，或者在更小區域釋放藥物。

目前，當雙穩態元素切換並釋放能量時，必須經過手動重置從而再次工作。下一步，團隊計劃拓展重新設計雙穩態元素的方法，當溫度再次變化時，使得它們可以自動重置。這樣一來，只要水溫保持變化，它們就有望能夠實現無限期地遊動。

關鍵字

機器人、材料、物理

參考資料

【1】http://www.caltech.edu/news/no-motor-no-battery-no-problem-82253

【2】Tian Chen, Osama R. Bilal, Kristina Shea, Chiara Daraio. Harnessing bistability for directional propulsion of soft, untethered robots. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2018; 201800386 DOI: 10.1073/pnas.1800386115

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