“气泡铸造”登上自然封面：普林斯顿大学开发新型软机器人

普林斯顿大学的研究者创造性地发明了“气泡铸造”法，这是一种使用花式“气球”制造软机器人的新方法，这些花式气球在充气时会以可预测的方式改变形状。他们用这种方法来设计和创造可抓握的“手”、能拍打的“鱼尾”和能抓回球的细长线圈。 

在某一天，它们会被用来采摘农产品、在传送带上小心地抓取物品，或为人类提供个人护理。它们也可能被用于医疗，例如可穿戴康复套装、帮助心脏跳动的植入式设备等。

相关研究近日以封面论文形式发表在国际知名期刊《自然》上，标题为“Bubble casting soft robotics”（气泡铸造软体机器人）。

传统的刚性机器人有多种用途，例如制造汽车。不过，“它们天生不适合与柔软的东西互动，比如人类或西红柿。”论文通讯作者Pierre-Thomas Brun说。

软体机器人可以使用低复杂度、类似肌肉的软执行器来完成复杂的任务，例如轻柔抓握、爬行或游泳，其柔软与仿生运动的独特组合使其在一些刚性机器无法实现的应用中有吸引力。

软体机器人的执行器（即引起运动的组件）可以根据需要弯曲、扭曲、收缩或伸长。与依靠关节以固定方式移动的刚性机器人不同，软体机器人中的材料有以无限多种方式移动和扩展的潜力。

软体机器人这一蓬勃发展的领域受到建模、计算和制造等方面最新见解的推动，这些见解使各种软机器的设计、编程和组装成为可能。虽然已经证明使用化学、磁场、电场、温度或湿度的变化可对软执行器进行制动，但由加压空隙驱动的硅橡胶机器人由于其简单快速的驱动方式引起了相当多的关注。

这种机器人的运动被编码在执行器的形状或材料中，这样，内部压力的变化就可以机械地转换为特定的运动。通常，这些执行器的膨胀很难预测，因此需要反复试验或长时间模拟来为特定应用定制执行器的形状。目前，执行器的制造工艺在可扩展性、设计灵活性和稳健性方面存在局限性。

而此项工作所使用的“气泡铸造”是一种简单、灵活的方法，使用流体物理来创建执行器。

具体而言，研究者主要使用名为“弹性体”的液体聚合物，该液体在固化后会变成一种橡胶状的弹性材料。他们将这种液体填充到一个简单模具中，如吸管，或螺旋形或鳍状肢等更复杂的形状。然后，再将空气注入液体中，产生一个细长的气泡，从而形成执行器的内部空隙。

由于重力，随着弹性体排到底部，气泡慢慢上升到顶部。一旦弹性体凝固，就可以将其从模具中取出。再用空气充气，可使带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。

“如果在凝固前允许更多的时间排空，顶部的薄膜会更薄。越薄的薄膜，当你给它充气时它会拉伸得越多，就会导致更大的整体弯曲。”论文第一作者Trevor Jones表示。

通过控制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，研究人员可以决定执行器将如何移动。

他们成功地制造了抓住黑莓的星形“手”，像肌肉一样收缩的线圈，甚至在整个系统膨胀时一根根卷起的“手指”，就像弹钢琴一样。这些执行器在充气时会变形。

“气泡铸造”的一个主要优点是无需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。该系统也是可扩展的。它有可能制造出长达数米、薄至100微米的执行器。

研究人员表示，他们期望这一方法的灵活性、鲁棒性和预测性能够通过组装复杂的执行器（例如长的、曲折的或血管结构）来加速软体机器人的发展。

尽管具有灵活性，但这种方式也有其局限性。比如，过度充气会导致气球爆裂。“失败是相当灾难性的。”Jones表示。

接下来，该小组将使用该系统创建更复杂的执行器，并探索新的应用。 

他们对设计在连续波中一起移动的执行器很感兴趣，就像爬行着的千足虫的脚一样。另一种可能性是创建制造腔室的执行器，它使用单个压力源进行充气，能够交替收缩和放松，从而模拟人类心脏的跳动。