美高梅注册 1Bram教授本人照片,图片来源:
Wtnschp.be

如果软体机器人达到了使用目的,想要回收材料怎么办?这也好办。DA聚合物不但可以溶解于有机溶剂,还能被重新提取,所以,一旦达到使用寿命,软体机器人的这些自愈组件可以完全回收再利用。

第一种是自愈软手。手型机器人在实际操作过程中往往碰到很多尖锐物体,如金属边缘或破碎的玻璃等。甚至一张纸的锋利边缘都会对这类软体机器人造成伤害。但通过自修复材料做成的手型机器人,即使被刀片划破,也能照常运行,极大提升了软手的使用寿命。

美高梅注册 2基于DA反应的自修复原理:红脸的呋喃,绿脸的马来酰亚胺。图片来源:圆的方块灵魂手绘

参考文献:

  1. Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of
    soft robots. Nature, 521(7553), 467.
  2. Terryn, S., Brancart, J., Lefeber, D., Van Assche, G., &
    Vanderborght, B. (2017). Self-healing soft pneumatic robots. Science
    Robotics, 2(9), 4268.
  3. Tee, B. C., Wang, C., Allen, R., & Bao, Z. (2012). An electrically
    and mechanically self-healing composite with pressure-and
    flexion-sensitive properties for electronic skin
    applications. Nature nanotechnology, 7(12), 825.

科学家们将这种带有自修复能力的高分子,加工成了一种由一排空腔和底层连接板组成的特殊构造。其中,底层板中相应位置有气孔,可以向空腔内注入或抽取空气,让空腔膨胀或者收缩。通过精确控制各个小空腔的体积,就可以实现空腔阵列的变形和移动。

Bram教授是一个80后,研究领域包括人机交互,机器人辅助治疗,人形康复机器人等。他还主导过一个机器人项目用来治疗儿童自闭症。简言之,他就是在造大白啊!

三年前,迪士尼出品了动画电影《超能陆战队》,其中的机器人大白,萌翻了广大群众。

美高梅注册 3自修复材料制作的气动部件:空腔阵列和底层板。图片来源:参考文献[2]

美高梅注册 4高倍显微镜下观察材料的自修复过程。在高倍显微镜下,可以更为细致地观测到这个愈合过程。画面正中,一条切口将的材料分成了左右两半,为了加强对比,研究者还将两边渲染成了不同的颜色。随着温度的逐渐升高,材料会“唰”地一下变色,这暗示着是更多DA键的断裂。紧接着,将温度降低,左右两边材料相交的界面开始重新粘结,颜色发生了明显变化。随着新DA键的产生,原本的切口会如同被一只无形的手所抹平。来源:参考文献[2]

第二种是气动夹具类机器人。这类夹具类似夹娃娃机的机器手,因为非常灵活,可以处理各种软物体或形状复杂的物品,比如用来分装水果或蔬菜。在这个过程中,水果的树枝等往往会对夹具造成损害。使用DA聚合物材料的夹具,不仅能够夹“万物”,还不怕这种日常磨损。

美高梅注册 5具有自修复能力的机器软手,即使戳破指头也不妨碍运动。来源:参考文献[2]

在比利时自由大学的研究中,科学家们使用了一种高分子自修复材料。这种材料由两种小分子(呋喃、马来酰亚胺)通过Diels-Alder(DA)键相互连接形成。材料出现伤口,其实是这些DA键被切断了。幸好,通过加热,可以让这些DA重新连接起来。具体来说,就是升高伤口部位的温度(至80℃),破坏更多DA键。正所谓“不破不立”,这些DA键断了后,释放出很多可以自由运动的呋喃和马来酰亚胺小分子。而且也因为温度高的缘故,这些小分子的移动速度很快,如同热锅上的蚂蚁。于是,这些自由奔跑的小分子们相互碰撞交融。之后把温度降下来,小分子之间就可以生成新的DA键,自动愈合伤口。

除此以外,研究者们还测试了自修复材料作为气动人造肌肉的潜力。这种人造肌肉经常用作机器人的动力装置,通过压缩和排出空气,可以产生很大的推力。当然,产生的力量越大,装置外壁需要承受的压力也就越大,这往往会导致磨损或泄漏,降低人造肌肉的生命周期。

好吧,人赢,我服还不行吗!(编辑:明天)

美高梅注册 6受损的人造肌肉经过自修复,仍能保持原有性能。图片来源:参考文献[2]
| 翻译:圆的方块

美高梅注册 7五花八门的软体机器人。图片来源:参考文献[1]

此外,大多数软体机器人都不具有马达等动力装置,只能依靠压缩空气或液体驱动机体运动\[2\],运行中的软体机器人就如同一个吹鼓了的气球。然而,软体机器人的应用场景往往充满了尖锐的物体——比如管道或者狭窄空间的边边角角——也就是说,这个吹鼓了的气球还必须在钉子堆里工作。可想而知,软体机器人大多“短命”。

生命周期长,还能被循环利用,可以说生的伟大,死的光荣了。

随后,研究人员用这一串串的空腔阵列,组装出了两种特殊的机器人。

目前,制造软体机器人的材料通常是弹性高分子材料。这类材料弹性十足,然而却很容易受损,特别是出现了微小缺口的时候,极易“恶化”,形成大面积破损。这也是包装袋从小缺口处一撕就开的原理。

为了解决这一问题,来自比利时自由大学的研究人员提出了使用自修复(self-healing)材料来制造软体机器人的构想\[2\]

自修复材料是指具有自愈合能力的智能材料,其灵感来源于受伤后能自我修复的生物体。这一概念在2001年一经提出,立刻吸引了大量研究者的目光。现如今,已经有很多种自修复材料得到了应用,比如汽车的自修复涂层,能愈合划痕的手机盖等。具备自修复能力的沥青和混凝土,也走出了实验室,正在准备进入建材市场。值得一提的是,极具潜力的人造皮肤首选材料也是可拉伸的自修复膜\[3\]

大白是一个医疗机器人,如果在材质上分类,他属于软体机器人。传统机器人大多采用金属或塑料等材料制造,给人的感觉总是“硬邦邦”的。而软体机器人往往非常柔软,整个机体能任意弯曲变形,可以在管道或窄缝等特殊场景中发挥用处。

美高梅注册 8大白是一种典型的软体机器人,身体可任意变形。图片来源:
Disney Wiki

于是,科学家尝试了用DA聚合物膜作为人造肌肉的外壁。这层厚度仅为0.75mm的外壁,最高可承受高达37kPa的压力。相当于一平方米的这种薄膜,可以承受一头成年亚洲象的重量。即使被破坏了,这些人造肌肉也能自我修复,保持气密性,维持原有的性能\[2\]

美高梅注册 9自修复气动夹具在夹取形状不规则的各种物体。图片来源:参考文献[2]

这项研究的通讯作者是布鲁塞尔自由大学的教授Bram Vanderborght
,他本人长这样!

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