傳統(tǒng)機器人往往采用電機驅(qū)動控制，他們精確有力但卻也蘊含危險，動作僵硬。近年機器人的研究熱點之一便是科學家們拋棄了傳統(tǒng)的電機制造的機器人，開始嘗試開發(fā)智能材料，來模仿生物肌肉收縮。

多倫多大學 “材料科學工程部” 的Hani Naguib教授及其小組提出了一種新型的智能材料并制造了一只軟體機器人“尺蠖”。這個機器人的外表平平無奇，看起來如同一片黑色的膠帶，有著四只銅腳。但你可不能小瞧它，借助神奇的“智能材料”技術(shù)，間斷性的通電就可以實現(xiàn)尺蠖的爬行運動!

軟體機器“尺蠖”和真實的尺蠖對比

Naguib教授團隊發(fā)現(xiàn)了一種新穎的方法來對智能材料進行編程，Naguib他的團隊將這項技術(shù)應(yīng)用于機器人領(lǐng)域，創(chuàng)造了可以卷曲的“軟體”驅(qū)動器，該驅(qū)動器在12V的電壓下可實現(xiàn)540度三維彎曲，并制造了一個軟體機器人來模擬尺蠖蠕蟲爬行的動作。Naguib教授認為該智能材料還可能被應(yīng)用于航空，手術(shù)以及可穿戴智能設(shè)備中。

Hani Naguib團隊的研究重點之一是電熱執(zhí)行器(electrothermal actuator，簡稱ETA)，也就是尺蠖機器人身體的黑色部分。這是一種由特殊聚合物制成的材料，在制作過程中，對其材料進行特殊的“編程”，從而使它對外界電或熱的變化做出物理響應(yīng)。例如，可以對ETA進行編程以模仿肌肉反射，在低溫時收縮，在高溫時會舒張，從而通過控制外界溫度變化，就可以實現(xiàn)對于材料的“控制”。

小知識：智能材料多指對于外界給與的刺激可以做出反應(yīng)(例如收縮，彎曲)的材料，刺激包括光，力，電場，磁場，溫度等。常見的智能材料有形狀記憶合金，形狀記憶高聚物，壓電材料，介電彈性體等。

研究成果由HaniNaguib教授及其團隊于2019年8月份發(fā)表在nature旗下開源綜合性期刊“科學報告”(scientific report)上。

蠕蟲“爬行”視頻

視頻中運動分解圖

原理：尺蠖的四只腳是導電的銅片，通電后可以加熱機器人本體。本體基于形狀記憶原理在常溫下保持彎曲的樣子。每每通過路徑給它通12V的電壓20s，機器人受熱會從彎曲狀態(tài)伸展。20s后停止通電，一段時間后隨著熱量的消散，它會再次回到最初記憶的彎曲形狀。尺蠖的尾巴是硬質(zhì)的材料，產(chǎn)生阻力從而推動機器人向前，以此反復執(zhí)行來實現(xiàn)爬行的運動。

外媒近日也對該研究以及研究團隊進行了如題報道： “像蠕蟲一樣運動的軟體機器人” (Soft robot programmed to move like aninchworm)。小編希望通過整理該報道和論文原文內(nèi)容，讓大家可以大致窺探到這只軟體“蠕蟲”的奧秘。

文章第一作者博士生Sun解釋說：“現(xiàn)有研究基本上是對一塊平坦的ETA材料進行編程，因此制作的驅(qū)動器的響應(yīng)只是二維的彎曲運動。”相比之下，他們創(chuàng)造的ETA驅(qū)動器有3維的狀態(tài)。他們使用了一種熱致應(yīng)力松弛和固化方法，為復雜的形狀和運動提供了更多可能性。Sun還表示：“我們制作的ETA驅(qū)動器相對來說驅(qū)動效率也是很大的，要比迄今為止研究文獻中所存在的任何驅(qū)動器效率更高。”

驅(qū)動器的顯微鏡圖

如上圖，該研究中提出的新型的ETA是將PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基矽氧烷)層和SWCNT(single-wall carbon nanotubes，單層碳納米管)層通過特殊的制造方法融合。

可編程的ETA具體展示

ETA由PDMS和SWCNT層混合制造，當我們把左圖中兩種材料混合制造的ETA扭曲720度并且通電(7V)加熱一段時間后，撤掉電源冷卻以后改材料仍然保持原狀(圖4右圖)，這種變形是研究者指出的三維的形狀記憶效果。

純PDMS的薄片

對PDMS進行如之前ETA上上圖的操作，冷卻后沒有辦法維持720度的扭轉(zhuǎn)(如上右圖)，無法保持形狀記憶。

ETA驅(qū)動器彎曲的視頻

彎曲驅(qū)動器的視頻截圖

圖中展示了ETA驅(qū)動器在通電加熱的情況下，隨著時間的變換，驅(qū)動器彎曲的變化。