案例集錦：新材料在軟體機器人領域的應用

案例集錦：新材料在軟體機器人領域的應用 

瑞士聯邦理工學院（EPFL）的研究人員介紹了一種由明膠制成的可食用軟體機器人原型，它允許機器人在被吞咽后，進行一些可控的操作。整體的控制方式就類似于氣動驅動，這樣的結構能讓它在充氣時彎曲，當氣壓降低時再次伸直。這種形態的軟體機器人并不是首次出現，之前就有超市將其用于抓取水果。而新的機器人用明膠取代了塑料，這種可食用的版本能夠被生物降解。

這些可食用軟體機器人的零件可以與營養物質和藥物成分混合，然后被生物消化和代謝。它的潛在應用是用于醫療研究，可食用的一次性機器人更加安全，這些屬性可以讓它們完成一些有意思的工作。比如在進行救援時，機器人可以在特殊環境下找到幸存者，提供營養補給和藥物治療，這種安全、可食用的特性同樣可以幫助保護野生動物，當機器人被消化時，能夠作為能量儲存在生物體內。

橡膠

是軟體機器人發展歷程中使用最早且運用最廣的材料。橡膠的化學成分和物質構造，令其具有了優于其他同類型材料的特點：吸附能力強、熱穩定性好、化學性質穩定等。比如美國哥倫比亞大學的工程師研發了一種3D打印的合成軟體肌肉，拋棄之前模型所使用的外部壓縮器或者高壓設備，它能夠推、拉、彎曲和扭曲，而且能夠舉起自身千倍重的物體。簡單來說就是，研究者使用了微泡中遍布乙醇的硅橡膠材料，其將彈性特性和極端體積變化屬性組合在一起，而且具有易制造、低成本和對環境無污染的好處。

形狀記憶合金

是一種新型的功能性材料，加熱后能夠恢復原始形狀，消除在低溫狀態下所發生的變形，具有形狀記憶、超彈性和可變剛度等特性。目前，其已成為結構振動控制研究中一種優越的傳感和驅動材料，在軟體機器人成型及驅動中發揮著重要作用。迄今為止，業界已發現了十幾種形狀記憶合金材料，其中在工業上有實用價值的有Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe類合金等。該類材料也是4D打印最關鍵的材料技術之一。

IPMC

，ion-exchangepolymer metal composite(離子交換聚合金屬材料)，是一種電致變形的智能材料（離子型），具有驅動電壓低（<3V）、響應速度快（在水中>10Hz）、低功耗、密度小、柔韌性好等優點。而采用IPMC材料制作水下軟體機器人的推進器具有擾動小、無污染、無噪音、無需潤滑等特點，是許多傳統剛性機械裝置所不具備的。

凝膠

擁有獨特的基于化學鍵或物理作用交聯形成的三維網狀結構。響應水凝膠在外界環境變化時通常展現出獨特的響應性溶脹行為，如一些水凝膠能因外界pH值、溫度、光電信號、特殊化學分子等微小變化，而產生相應結構的變化，常用作智能驅動材料應用于軟體機器人外形塑造與驅動等領域。今年4月5日，浙江大學實驗室里的一條“魚”出現在著名大眾科學雜志《新科學家》上：全身柔軟無骨，能以每秒6厘米的速度不動聲色地暢游3小時，是國際上已知報道中游得最快的軟體機器魚。據悉，這條魚有一層薄薄的“電子肌肉”，由三層材料緊密地粘合在一起：上下兩層是透明的介電高彈體薄膜，中間是導電用的碳膏或水凝膠。當天，浙大航空航天學院李鐵風、黃志龍課題組的論文“Fast-movingsoft electronic fish”在《ScienceAdvances》雜志上線。

現有的軟體材料如SMA、水凝膠、IPMC等已經趨近成熟，并推動軟體機器人的發展，但這些材料在應力、應變、壽命、價格等方面仍然存在缺陷，不能滿足軟體機器人高速發展的現狀。軟體機器人通過仿生學實現其適應性、彈性與流變特性，可考慮將其與生物材料直接聯系，通過合成材料與生物材料聯合、材料科學與生物工程科學有機結合，開發出更具生物相容性和生命性的新型軟體材料。可以預見，由天然肌肉組織和軟體電子材料等組成的合成細胞將代替現有的軟體材料進一步推動軟體機器人的發展。

部分資料來源： 材料科技前沿