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當材料能夠轉化成為機器人,未來醫學或即將迎來新突破!

行業專題 | 時間: 2019-11-08 | 中國機器人網 劉眾楷 | 編譯:阿芬

  過去,機器人只能在工廠進行繁重的工作或進行精細的工作。現在,波士頓動力公司靈活的四足機器人Spot可供公司租借以執行各種現實世界的工作,這標志著近年來人機之間的普通交互已經變得多么普遍。
 
  盡管Spot具有通用性和堅固性,但它卻被社會視為傳統機器人,即金屬和硬塑料的混合物。許多研究人員堅信, 能夠與人進行安全的物理交互的軟機器人(例如,通過抓握和移動物體來提供室內幫助)將與硬機器人一起為未來創造條件。
 


 
  柔軟的機器人技術和可穿戴計算機,這兩種對于人類交互而言都是安全的技術,它們將需要新型的材料,這些材料必須柔軟,可拉伸并具有多種功能。我和我在卡內基梅隆大學軟機械實驗室的同事開發了這些多功能材料。與合作者一起,我們最近開發了一種這樣的材料,它獨特地結合了金屬,軟橡膠和形狀記憶材料的特性。
 
  這些柔軟的多功能材料(我們稱為它們)可以導電,檢測損壞并自我修復。它們還可以感應觸摸,并響應電刺激(例如人造肌肉)改變其形狀和剛度。在許多方面,這就像研究人員先驅Kaushik Bhattacharya和Richard James曾開創性提出的:“ 材料就是機器。”
 
  使材料智能化
 
  這種認為物質就是機器的想法可以在體現智能的概念中體會到。該術語通常用于描述互連的材料系統,例如膝蓋的肌腱:跑步時,每次腳踩到地面時,肌腱都可以拉伸和放松以適應,而無需任何神經控制。
 
  我們也可以把具體的智能想象成一種單一的材料,它可以感知、處理和響應周圍的環境,而不需要像傳感器和處理單元這樣的嵌入式電子設備。
 
  一個簡單的例子是橡膠。在分子水平上,橡膠包含成串纏繞在一起的分子串。拉伸或壓縮橡膠會移動并解開琴弦,但它們的連接會迫使橡膠彈回其原始位置而不會永久變形。橡膠“知道”其原始形狀的能力包含在材料結構中。
 
  由于適用于人機交互的未來工程材料將需要多功能性,因此研究人員已嘗試將彈性材料的新高度(不僅僅是拉伸)構建到橡膠等材料中。最近,我的同事們創建了嵌入橡膠的自愈電路。他們首先將包裹在電絕緣“皮膚”中的微型液態金屬小滴分散在整個硅橡膠中。在其原始狀態下,皮膚的薄金屬氧化物層可防止金屬滴導電。
 
具有自動修復功能的可伸展導電電路的軟機器人。
圖源:CC BY-ND軟件實驗室
 
  然而,如果嵌入金屬的橡膠受到足夠的力,則液滴將破裂并聚結以形成導電路徑。印在該橡膠上的任何電線都會自愈。在另一項研究中,他們表明自我修復機制也可用于檢測損害。在受損區域中形成新的電線。如果有電信號通過,則表明已損壞。
 
  液態金屬和橡膠的結合為材料提供了感知和處理其環境的新途徑,即體現智能的新形式。液態金屬的重新排列使材料“知道”由于電響應而發生損壞的時間。
 
  形狀記憶是材料體現智能的另一個例子。這意味著材料可以可逆地更改為規定的形式。形狀記憶材料是軟機器人中直線運動的理想選擇,能夠像二頭肌一樣來回移動。但是它們還提供了獨特而復雜的形狀改變功能。
 
  例如,最近有兩組材料的科學家演示了如何將一類材料 從平坦的橡膠狀薄片可逆地轉換為面部的3D地形圖。對于傳統的電機和齒輪而言,這是一項壯舉,但是對于此類材料而言,由于材料的內在智能,它很簡單。研究人員使用了一類稱為液晶彈性體的材料,有時將它們稱為人造肌肉,因為它們可以通過施加熱,光或電等刺激而伸縮。
 
  放在一起
 
  通過從液態金屬復合材料和形狀變形材料中汲取靈感,我和我的同事最近創建了一種具有前所未有的多功能性的軟復合材料。它柔軟可拉伸,可以傳導熱量和電流。與普通橡膠不同,它可以主動改變其形狀。由于我們的復合材料易于導電,因此可以電動激活形狀變形。由于它柔軟且可變形,因此也可以抵抗重大損壞。因為它可以導電,所以該復合材料可以與傳統電子設備連接并動態響應觸摸。
 
  此外,我們的復合材料可以自我修復并以全新的方式檢測損壞。損壞會產生新的導電線,從而激活材料中的形狀變形。復合材料在刺破時會自發收縮。
 
  在電影《終結者2:審判日》中,變形的Android T-1000可以液化;可以改變形狀,顏色和紋理;不受機械傷害;并展現超人的力量。這種復雜的機器人需要復雜的多功能材料。現在,可以感知,加工和響應其環境的材料(例如這些形狀變形復合材料)開始成為現實。
 
  但是與T-1000不同的是,這些新材料并不是邪惡的力量-它們為假肢,伴侶機器人,遠程探測技術,可改變形狀的天線以及工程師尚未使用的更多應用等軟輔助設備鋪平了道路。甚至還沒有夢想。

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