Nature|气泡也能造机器人？
1. 导读
近些年来，软体机器人已经对我们日常生活的各个方面产生了巨大的影响，如医疗保健、健康监测、假肢、柔性设备、通信、人机交互等领域。比起传统领域刚性机器人，软机器人的出现则为人机交换等领域带来了曙光，这是因为建模、计算和先进制造推动了软材料的设计灵活性，使机器人可以根据实际情况实现各种力学信号，如弯曲、扭曲、收缩或拉长。
然而，制造软气动驱动器并非易事，因为这种工艺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。这些制造过程中的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。
鉴于此，美国普林斯顿的团队的Joel Marthelot和P.-T. Brun等人提出了一个简单通用的制造方法，即气泡铸造工艺，用于软件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。这项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。相关研究成果以“Bubble casting soft robotics”为题，发表在顶级期刊《Nature》上。
2. 图文速递
图1. 软体机器人的设计和气泡铸造工艺
▲1-图解：从流到程序驱动。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）。残余的聚合物流（ii）和固化提供了一个各向异性的驱动器，可以在脱模时很容易地使用，例如作为夹具（iii）（比例尺：1 cm）。b：长驱动器的收缩屈服：（i）肌肉样收缩和（ii）线性平移（标尺：5 cm）。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：1 cm）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：2 cm）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 cm）。f：在分支网络（比例尺：1cm）中使用气泡浇铸得到鱼尾运动。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（比例尺：1cm）。
图1表明，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，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、螺旋形或鳍状肢。接下来，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。
2.2 流体编程驱动
图2. 流体决定形式。
▲2-图解：流体确定形式。a：布雷瑟顿问题示意图和随后最终截面后排水的照片。等待时间tw = 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与毛细管数的关系。hi/R数据的误差条代表了三次测量在执行器不同位置的标准偏差。CA数据的误差条代表了传播的实验不确定性。c：样品薄膜厚度的标绘相对于圆心角。红线为理论预测与a相同。d：一米长的样品膜的平均厚度（R = 2.4 mm）。黑线表示我们的预测，绿带表示方程中参数的不确定性。
图2表明，将气泡注入排水过程中的流体力学完全合理化，预测驱动器横截面的形状，然后转向弹性问题来阐明膨胀时的弯曲运动是如何由先前定制的形状决定的。
2.3 曲率编程驱动
图3. 启动驱动产生曲率。
▲3-图解：气动驱动产生曲率。a：VPS-16执行器在静置和恒压充气时的图片：执行器以均匀的弯曲（比例尺：1cm）。b：重新标度的无量纲曲率与重新标度压力的关系图。实蓝色线对应于能量最小化理论的相关参数范围；虚线为前因子为0.52的比例律方程；灰色阴影区域表示传播的实验不确定性。C：在阻塞力配置下（比例尺：1cm），VPS-08驱动器在静止和充气时的照片。D：黑色（分别为红色点）线表示线性（非线性）波束理论预测；阴影区域表示传播的实验不确定性。
图3表明，制备后的弹性机器人具有较好的曲率变形，意味着这种机器人的柔度很大，适合在不同空间使用。
2.4 可编程的驱动器演示
图4. 可编程的驱动器演示。
▲4-图解：从曲率编程力学。A：在一个直线模具中形成的驱动器的收缩盘绕。（比例尺：5 cm）。b：两个R = 6.4和0.5 mm的VPS-16机器人肌肉举起一个空瓶子和一个回形针（比例尺：4 cm）。c：一个软性机器从一个狭窄的圆柱体（比例尺：5cm）夹起并举起一个球的图片。d：作为不同膜厚的致动器所施加压力的函数hf = {0.14, 0.17, 0.22} mm。e：相同的数据作为无量次压力的函数显示。红色曲线是基尔霍夫杆模拟的结果。f：不同压力下典型驱动器的力伸长曲线。实体曲线是等效的基尔霍夫棒模拟的结果。
图4表明，通过气泡铸造设计出为特定任务编程的驱动器机器人，能够提升物体和具有来自单个压力源的顺序驱动的软手指。此外，使用自由或附着在薄膜上的曲线致动器演示了三维可控折叠，这种软体机器人可以根据旋转模具的部分来实现不同方向的弯曲。
3. 小结
本工作使用的气泡铸造是一种无粘结的制造方法，它依靠流体流动而不是内部模板来构建空腔。相对于机械零件而言，这种对连续介质力学的依赖使得软气动执行器在各种尺寸和以前不可能的长径比下都可以无缺陷地制造。尤其是通过这个工作可以获得薄膜，优化了偏心孔隙拓扑结构，并在弯曲系数方面优于大多数充气驱动器。此外，无约束内表面使得实现三维折叠形状的曲面和网络驱动器的构造与构建直线驱动器一样简单。这些新功能将在软物质领域产生共鸣，特别是可能会导致下一代机器人材料适合移动和与环境交互，同时保持可处理的复杂性。更一般地说，此方法属于利用不平衡流体过程来彻底改变我们构建结构能力的方法的范畴，例如依赖不稳定性、剪切流、马兰戈尼效应和离心力。更重要的是气泡铸造的一个主要优点是不需要 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。同时，该系统也具有可扩展性，甚至可以生产出几米长的驱动器，且厚度薄至 100 微米——几乎和人的头发一样细。
