研究人员开发气泡铸造工艺创建软体机器人

随着科技的不断进步，机器人在人类社会中扮演着越来越重要的角色，其足迹从工农业生产、交通运输、航空航天等领域，逐渐延伸到医疗、教育、服务、生活、娱乐等更贴近人类生活的新领域。人机交互的复杂性和高频性也对机器人结构的灵活性、顺应性以及安全性提出了更高的要求。软体机器人的出现和快速发展则为人机交互和复杂特种环境下传统刚性机器人难以克服的安全性和灵活性等问题的解决带来了曙光。

软体机器人可以模拟动物和植物运动的连续运动，例如轻柔的抓取、爬行或游泳。其核心和基本的关键技术就是软体驱动器，可以根据需要进行弯曲、扭曲、收缩或伸长。建模、计算和制造等领域的蓬勃发展，使得各种软机器的设计、编程和组装成为可能。然而，制造软气动驱动器并非易事，一般需要通过顺序成型程序和为特定驱动器量身定制的可拆卸框架来完成。目前最先进的薄膜涂层技术仅适用于简单的几何形状，而自由曲面制造技术通常缺乏可扩展性并且需要很长的印刷时间。同时，由于驱动器的膨胀很难预测，因此需要反复试验或长时间的模拟来为特定应用定制驱动器的形状。这些问题大大制约了软体机器人设计的可扩展性、灵活性和稳定性。

近日，美国普林斯顿的P.-T. Brun团队发明了一种简单而通用的多合一方法—-气泡铸造工艺，用于软体机器人的制造和编程。这是一种使用“花式气球”制造软机器人的新方法，不依赖于单个零件的组装，而是使用流体力学规则来定制和创建整体式驱动器，并通过建模对驱动器进行编程以产生复杂的功能和运动行为。通过该方法，研究人员设计和创造出“抓握的手”、“拍打的鱼尾”和“可收回球的紧身线圈”，完成相对较为复杂的运动。该工作有望加速新型软体机器人的发展，并为源自几何和材料非线性的新功能铺平道路。

该气泡铸造方法使用一种称为弹性体的液态聚合物（乙烯基聚硅氧烷，有机硅弹性体），该聚合物固化后成为一种橡胶状的弹性材料。首先，研究人员通过注入未固化的弹性体熔体来填充管状模具，如吸管或更复杂的形状，如螺旋形或鳍状肢。接下来，研究人员将空气注入液体弹性体中，以在模具的整个长度上形成一个长气泡，从而形成驱动器的内部空隙。然后重力通过排出聚合物薄膜并允许气泡上升来塑造致动器。由于重力，随着弹性体排到底部，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体固化，就可以将其从模具中取出并用空气充气，从而使带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。

通过控制一些因素如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，研究人员可以决定最终的致动器将如何移动。

如果在固化前允许更多的时间排水，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。

相关研究成果以“Bubble casting soft robotics”为题，发表在国际顶级期刊《Nature》上。获取更多前沿科技 研究进展 访问：https://byteclicks.com

研究团队使用气泡铸造技术创造了软机器人，能够在充气时抓住和举起球。