Nature: 世界首个全软体自主机器人问世

本篇可能是小强强写过最严肃的一篇文章了。不整理发型，不七个隆冬锵锵锵，只是单纯分享一点小强强的阅读笔记。起因嘛，倒也简单，网上我看过几篇相关报道，中文一篇，英文好多篇，都不太满意。作为新闻层面，可能抓噱头、不求甚解无何厚非；但是在学术狗看来，我几乎可以打赌，他们并没有通读过该篇nature原文。中文的只有一篇，澎拜新闻出的，作者是一个见习记者，王盈颖，我记住这个名字了。我一直很推崇澎湃新闻，依稀记得某次，各大主流媒体头条都有闫肃前辈被去世的消息，只有澎湃新闻不跟风。澎湃，雄起！！！王盈颖，雄起！！！

2016年8月24日，Nature在线发表了一篇letter，题为“An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots”，直译为“用于全软体自主机器人的集成设计和制备策略”。通讯作者为哈佛大学的Jennifer A. Lewis左和Robert J. Wood右，两人均同时隶属于两个机构--哈佛大学paulson工程与应用科学学院，哈佛大学威斯生物工程研究所。其中威斯生物工程研究所大名鼎鼎，雄心勃勃，感兴趣的自己去探索撒。

From：哈佛大学

软体机器人具有许多特性，非常难，大家平时见到的传统机器人多是硬质材料制成。尽管取得了一些进展，但是之前所谓的“软体机器人”都被硬质控制系统和供能系统所牵绊。制造全软体机器人的全新策略，则机器人需要涵盖这些关键组分的软体类似物，这些类似物就需要发挥他们的全部潜能。

图片来自：小强强

作者这篇nature报道了一个全软体机器人，不受牵绊，无党派人士。该机器人由微流体逻辑系统控制，该系统可以自动规范液体流动，并用装载的单元推进剂的催化分解，来作为动力。燃料分解产生的气体使反应室下游的流体网络膨胀，产生驱动。机器人各部分制造技术如下图所示。特殊的结构横跨从微观到宏观的多个数量级。作者的集成设计和快速制备方法使得在该结构中的多材料可编程组装成为可能，为全软体自主化机器人打下了基础。

图片来自：小强强

软体机器人是一个新生领域，就像政党诞生会有一个目标一样，软体机器人这个领域也有一个伟大的目标--提供更安全更坚固的，与人互动的，更加适应环境的机器人。传统机器人，大家都见过，各种呆板，各种傻大个，机械舞比较能代表其典型特点；而软体机器人基于水凝胶等，各种变形，各种拧巴，体操比较能代表其典型特点。列表如下：

列表来自：小强强； 图片来自：flickr

嵌入气动网络的模塑成型的层级弹性体被广泛用在软体机器人领域。这些弹性体的驱动策略是：通过拴绑的压力源来使未压缩流体或气体填充到气动网络中。基于这一策略，已经开发出仿生驱动的机器人终端执行器、可实现复杂运动的可开展爬虫、坚固的跳跃机器人等。下图为2015年的一篇Science中的插图，是一个跳跃机器人。

图片来自：Science 349, 161–165 (2015)

让我们瞻仰一下Whitesides：

图片来自：wiki百科

创造一个新的种族--全软体自主机器人，谈何容易啊，它需要控制系统和供能系统硬件的软体类似物。好在已经有人摸索出了用单元推进剂燃料来驱动软体机器人，单元推进剂暴露在催化剂下可迅速分解成气体，以驱动软体机器人。我不会告诉你就是作者所在的课题组，就是那个威斯生物工程研究所。我告诉你吧，几乎整个体系都是他们自己做的，当之无愧的执牛耳者。

这个手掌大小机器章鱼表面是硅胶，Lewis 说“就像浴室的下水塞一样”。它体内有一个小过氧化氢燃料库，当过氧化氢流过硅胶外壳中掩埋的铂颗粒时会分解产生水和氧气，这些气体流过八条腿里3D打印的充气内腔时，招摇的肢体推动着机器章鱼会在水中前进。这个复杂的“Octobot”供能原理大家都学过，就是双氧水的分解。当然要催化了。

通过视频可以看出，这位“Octobot”好笨啊，可笨可笨呢。各种问题，比如，一次“加油”只能维持4-8分钟的“生命”；无法自主转向，只会上下晃胳膊，是不是挺像婴儿。

软体机器人领域的挑战还有很多，列举如下：

1. 开发计算机控制系统，以允许更大幅度的运动；
2. 对软体机器人，定义新的设计原则；
3. 改良加工技术；
4. 软体机器人在现实环境中可以运用的力可能很有限，潜在地限制了其应用；
5. 采用了流体逻辑回路，而不是传统的电路，这可能限制其运动的复杂度；
6. 需要更深刻的理解软物质的性质以及他们如何与控制系统及周围环境相互作用。

澎湃新闻已经有的部分，不再赘述，感兴趣者请移步澎湃新闻。

参考文献：
1. Shepherd, R. F. et al. Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, 20400–20403 (2011).
2. Wehner, M. et al. Nature 536, 451–455 (2016).
3. Bartlett, N. W. et al. A 3D-printed, functionally graded soft robot powered by combustion. Science 349, 161–165 (2015).
4. 全球首个全软体机器人问世：酷似章鱼，无需电力便可自主运动

材料牛网专注于跟踪材料领域科技及行业进展，这里汇集了各大高校硕博生、一线科研人员以及行业从业者，如果您对于跟踪材料领域科技进展，解读高水平文章或是评述行业有兴趣，点我加入编辑部。

材料人网尊重所有进行知识传播的媒体，转载请联系tougao@cailiaoren.com。