近年來一種全新的機(jī)器人（受到自然形態(tài)的啟發(fā)，使用柔軟、靈活的彈性體建造）在這一領(lǐng)域掀起了一場風(fēng)暴，其設(shè)計(jì)能夠抓住物體、行走，甚至跳躍。然而盡管有了這些創(chuàng)新，所謂的“軟”機(jī)器人仍然帶有一些“硬”部件。在伍德福德L.和安a .弗勞爾斯大學(xué)(Ann a . Flowers University)教授喬治懷特賽茲(George Whitesides)的實(shí)驗(yàn)室工作的博士生菲利普。Rothemund和博士后研究員丹尼爾·普雷斯頓發(fā)明了一種軟閥門，這種閥門可以取代這種硬部件，并可能導(dǎo)致完全軟機(jī)器人的誕生。該閥的結(jié)構(gòu)還可以用來產(chǎn)生獨(dú)特的振蕩行為，甚至可以用來建立軟邏輯電路。

博科園-科學(xué)科普：最近發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人》(Science Robotics)上的一篇論文描述了這種閥門。除了Rothemund和Preston，這項(xiàng)研究還由Alar Ainla、Lee Belding和Sarah Kurihara(來自化學(xué)和化學(xué)生物學(xué)系)、Zhigang Suo(來自Kavli Bionano科學(xué)與技術(shù)研究所)和Whitesides共同撰寫。人們制造了許多不同類型的軟機(jī)器人…最終所有這些機(jī)器人都是由硬閥門控制的。我們的想法是將這些控制功能植入機(jī)器人本身，這樣我們就不再需要這些堅(jiān)硬的外部部件了。這個(gè)閥門結(jié)合了兩個(gè)簡單的想法：第一，薄膜類似于“popper”玩具，第二，當(dāng)你擰這些管子時(shí)，就像你擰花園軟管來阻止水流。由Preston和Rothemund演示的閥門被構(gòu)建在一個(gè)圓柱體中，圓柱體由硅膜隔開，形成上下腔。

當(dāng)落在物體上時(shí)，閥門關(guān)閉，夾持器自動(dòng)啟動(dòng)。圖片：Harvard University

對(duì)較低的腔室加壓，迫使膜彈出，釋放壓力，使其彈出回到“靜止”狀態(tài)。每個(gè)腔室還包括一個(gè)管，當(dāng)薄膜開關(guān)方向時(shí)，可以扭結(jié)，有效地打開或關(guān)閉閥門。不管它朝哪個(gè)方向，都會(huì)使上面或下面的管子打結(jié)，所以當(dāng)它被彈出時(shí)，底部的管子會(huì)彎曲，沒有空氣通過底部的管子。當(dāng)薄膜彈出時(shí)，上管發(fā)生扭結(jié)，下管斷開，空氣可以通過下管流動(dòng)。我們可以在這兩種狀態(tài)之間來回切換……來切換輸出。Preston和Rothemund說，在某些方面，這種閥門代表了一種軟機(jī)器人的新方法。到目前為止，該領(lǐng)域的大部分工作都集中在功能制造機(jī)器人上，機(jī)器人可以抓握或充當(dāng)軟性手術(shù)收縮器。rothemund和Preston認(rèn)為，這種閥門是一種關(guān)鍵部件，可以用于任何數(shù)量的設(shè)備。

這種方法適用于任何軟致動(dòng)器，這并沒有回答如何制造夾具的問題，但它退一步說，許多軟機(jī)器人在通脹和通縮的原理相同，所以所有這些機(jī)器人都可以使用這個(gè)閥門。Preston和Rothemund能夠自動(dòng)調(diào)整閥門來執(zhí)行一些動(dòng)作，比如抓住一個(gè)物體。在一次演示中，這種閥門被設(shè)計(jì)成一個(gè)多指夾具，但是增加了一個(gè)小的通風(fēng)口，以便讓空氣壓力從閥門底部的腔室中釋放出來。然而，當(dāng)夾具放低到網(wǎng)球上時(shí)，通風(fēng)口關(guān)閉，導(dǎo)致底部腔室增壓，激活閥門，使夾具起作用。因此這項(xiàng)技術(shù)將這項(xiàng)功能集成到了機(jī)器人身上。人們以前也做過夾子，但總有人站在那里，看著夾子足夠近，可以啟動(dòng)，這是自動(dòng)的。

該團(tuán)隊(duì)還能夠建立一個(gè)“反饋”系統(tǒng)，當(dāng)由一個(gè)單一的、穩(wěn)定的壓力供給時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致閥門在不同狀態(tài)之間快速振蕩。從本質(zhì)上說，該系統(tǒng)將空氣壓力從上腔送入下腔。當(dāng)閥門彈出到升高的位置時(shí)，它切斷壓力，允許底部的腔室排氣，釋放壓力，使薄膜回到下降的位置，再次開始循環(huán)。利用了導(dǎo)致薄膜向上翻轉(zhuǎn)的壓力與薄膜向下翻轉(zhuǎn)所需要的壓力不同這一事實(shí)，所以當(dāng)我們把輸出反饋回閥門本身時(shí)，就會(huì)得到這種振蕩行為。利用這種行為，該團(tuán)隊(duì)能夠構(gòu)建一個(gè)簡單的“inchworm”機(jī)器人，它能夠基于接受單一輸入壓力的單個(gè)閥門進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。在一個(gè)恒定的壓力下，能夠做出這樣的行走動(dòng)作，我們根本無法控制這種行走——我們只需要輸入一個(gè)壓力，它就能自己行走。

今后還需要做更多的工作來進(jìn)一步改進(jìn)這種閥門，使其能夠適應(yīng)不同的用途和不同的幾何形狀。這只是用薄膜做的演示，有很多不同的幾何圖形顯示了這種雙穩(wěn)態(tài)行為……所以現(xiàn)在我們可以考慮設(shè)計(jì)這種機(jī)器人，讓它適合機(jī)器人，這取決于你想要的應(yīng)用程序。普雷斯頓還希望探索這種閥門——因?yàn)樗偸翘幱趦煞N狀態(tài)中的一種——是否可以作為一種晶體管來形成邏輯電路。某種程度上，它有點(diǎn)像晶體管，你可以讓輸入壓力進(jìn)來，然后轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果……從這個(gè)意義上說，我們可以把它看作是一臺(tái)完全軟性計(jì)算機(jī)的組成部分。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自：哈佛大學(xué)

參考期刊文獻(xiàn):《Science Robotics》

DOI: 10.1126/scirobotics.aar7986

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