已开发出“软”阀门来制造完全柔软的机器人？

近年来一种全新的机器人（受到自然形态的启发，使用柔软、灵活的弹性体建造）在这一领域掀起了一场风暴，其设计能够抓住物体、行走，甚至跳跃。然而尽管有了这些创新，所谓的“软”机器人仍然带有一些“硬”部件。在伍德福德L.和安a .弗劳尔斯大学(Ann a . Flowers University)教授乔治怀特赛兹(George Whitesides)的实验室工作的博士生菲利普。Rothemund和博士后研究员丹尼尔·普雷斯顿发明了一种软阀门，这种阀门可以取代这种硬部件，并可能导致完全软机器人的诞生。该阀的结构还可以用来产生独特的振荡行为，甚至可以用来建立软逻辑电路。

博科园-科学科普：最近发表在《科学机器人》(Science Robotics)上的一篇论文描述了这种阀门。除了Rothemund和Preston，这项研究还由Alar Ainla、Lee Belding和Sarah Kurihara(来自化学和化学生物学系)、Zhigang Suo(来自Kavli Bionano科学与技术研究所)和Whitesides共同撰写。人们制造了许多不同类型的软机器人…最终所有这些机器人都是由硬阀门控制的。我们的想法是将这些控制功能植入机器人本身，这样我们就不再需要这些坚硬的外部部件了。这个阀门结合了两个简单的想法：第一，薄膜类似于“popper”玩具，第二，当你拧这些管子时，就像你拧花园软管来阻止水流。由Preston和Rothemund演示的阀门被构建在一个圆柱体中，圆柱体由硅膜隔开，形成上下腔。

当落在物体上时，阀门关闭，夹持器自动启动。图片：Harvard University

对较低的腔室加压，迫使膜弹出，释放压力，使其弹出回到“静止”状态。每个腔室还包括一个管，当薄膜开关方向时，可以扭结，有效地打开或关闭阀门。不管它朝哪个方向，都会使上面或下面的管子打结，所以当它被弹出时，底部的管子会弯曲，没有空气通过底部的管子。当薄膜弹出时，上管发生扭结，下管断开，空气可以通过下管流动。我们可以在这两种状态之间来回切换……来切换输出。Preston和Rothemund说，在某些方面，这种阀门代表了一种软机器人的新方法。到目前为止，该领域的大部分工作都集中在功能制造机器人上，机器人可以抓握或充当软性手术收缩器。rothemund和Preston认为，这种阀门是一种关键部件，可以用于任何数量的设备。

这种方法适用于任何软致动器，这并没有回答如何制造夹具的问题，但它退一步说，许多软机器人在通胀和通缩的原理相同，所以所有这些机器人都可以使用这个阀门。Preston和Rothemund能够自动调整阀门来执行一些动作，比如抓住一个物体。在一次演示中，这种阀门被设计成一个多指夹具，但是增加了一个小的通风口，以便让空气压力从阀门底部的腔室中释放出来。然而，当夹具放低到网球上时，通风口关闭，导致底部腔室增压，激活阀门，使夹具起作用。因此这项技术将这项功能集成到了机器人身上。人们以前也做过夹子，但总有人站在那里，看着夹子足够近，可以启动，这是自动的。

该团队还能够建立一个“反馈”系统，当由一个单一的、稳定的压力供给时，就会导致阀门在不同状态之间快速振荡。从本质上说，该系统将空气压力从上腔送入下腔。当阀门弹出到升高的位置时，它切断压力，允许底部的腔室排气，释放压力，使薄膜回到下降的位置，再次开始循环。利用了导致薄膜向上翻转的压力与薄膜向下翻转所需要的压力不同这一事实，所以当我们把输出反馈回阀门本身时，就会得到这种振荡行为。利用这种行为，该团队能够构建一个简单的“inchworm”机器人，它能够基于接受单一输入压力的单个阀门进行运动。在一个恒定的压力下，能够做出这样的行走动作，我们根本无法控制这种行走——我们只需要输入一个压力，它就能自己行走。

今后还需要做更多的工作来进一步改进这种阀门，使其能够适应不同的用途和不同的几何形状。这只是用薄膜做的演示，有很多不同的几何图形显示了这种双稳态行为……所以现在我们可以考虑设计这种机器人，让它适合机器人，这取决于你想要的应用程序。普雷斯顿还希望探索这种阀门——因为它总是处于两种状态中的一种——是否可以作为一种晶体管来形成逻辑电路。某种程度上，它有点像晶体管，你可以让输入压力进来，然后转换输出结果……从这个意义上说，我们可以把它看作是一台完全软性计算机的组成部分。

博科园-科学科普｜研究/来自：哈佛大学

参考期刊文献:《Science Robotics》

DOI: 10.1126/scirobotics.aar7986

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