【儀表網(wǎng) 儀表下游】導(dǎo)讀：天津大學(xué)材料學(xué)專家封偉與合作者設(shè)計出一種4D打印的軟體機器人。該原型機是管狀的，能在加熱時自我組裝，并可以承擔(dān)挑戰(zhàn)性任務(wù)，比如爬坡、在崎嶇不平和不可預(yù)知的地形中行進。
 

　　開始時，機器人是一片3D打印液晶彈性體(一種有彈性的塑料材料)扁平矩形薄片。當(dāng)下表面被加熱時，機器人會自動扭曲，形成一個類似彈簧的小管。在外部刺激下的形狀變化在打印過程中增加了第四個維度——時間，使其成為4D。
 

　　一旦機器人變成一個小管，熱表面的接觸就會在材料中產(chǎn)生應(yīng)變，導(dǎo)致其向一個方向滾動。這種運動背后的驅(qū)動力十分強大，以至于機器人可以爬上20°的斜坡，甚至可以扛起相當(dāng)于自身重量40倍的重物。而且，機器人的長度影響其速度，長機器人比短機器人滾動得更快。
 

　　研究人員拍攝了展示機器人技能的視頻，包括不同大小的機器人和機器人推車的比賽。視頻還展示了機器人行為是如何根據(jù)周圍環(huán)境而改變的，當(dāng)遇到不可逾越的障礙時，機器人要么爬上臺階，要么改變方向。
 

　　通過4D打印將液晶彈性體加工成各種形狀的樣品，并用光、熱和電刺激這些樣品來觀察它們的反應(yīng)。在未來，這些軟體機器人可能被用于在管道等狹小、封閉的地方或在200℃的條件下工作。軟體機器人不再局限于被用作簡單的驅(qū)動器——只能在一個固定的位置改變形狀。
 

　　軟體機器人在生產(chǎn)生活中具有極其廣泛的應(yīng)用。根據(jù)其使用場景可分為以下3種主要運用領(lǐng)域。
 

　　人機交互康復(fù)機器人。相比于傳統(tǒng)剛性機器人，軟體機器人柔軟的機體使其可以更高效、安全地與人類和自然界進行交互。如同人體靈活的軀干與肌肉，軟體機器人柔軟的機體、彎曲的形態(tài)和不規(guī)則的表面令其在不同環(huán)境中能夠更為靈活的運動。因此，將軟體機器人與可穿戴設(shè)備結(jié)合用以幫助特殊人群完成生理活動。
 

　　哈佛大學(xué)的軟體機器人手套利用軟體致動器組成的模壓彈性腔與纖維增強，誘導(dǎo)特定的彎曲，能夠使肌肉或者神經(jīng)受損的患者獨立把握物體。研究者們對這些軟致動器進行機械編程，以匹配和支持使用者個別手指的精確運動。與此相似的還有拇指柔性康復(fù)手套。除小型的穿戴設(shè)備外，還出現(xiàn)了步態(tài)協(xié)助軟機器人exosuit這樣覆蓋全身的大型可穿戴設(shè)備。它可以像正常的衣服一樣佩戴，最大限度減少與穿著者的相互干涉，對穿戴者起到輔助作用。目前，中國已經(jīng)成為世界上老年人口最多的國家，也是人口老齡化發(fā)展速度最快的國家之一。中國正逐步進入老齡化社會，加之社會經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展，大眾對于服務(wù)機器人的需求日益增長，在人機交互和康復(fù)領(lǐng)域有著廣泛運用，更應(yīng)受到更加廣泛的關(guān)注。因此，大力發(fā)展軟體機器人應(yīng)用技術(shù)，提高研發(fā)水平，早日實現(xiàn)其在人機交互及康復(fù)領(lǐng)域的運用和普及，滿足社會發(fā)展及市場的需求。
 

　　勘探、野外運動。在地震、洪水等自然災(zāi)害發(fā)生時，抑或遇到懸崖、巖洞、海底等復(fù)雜未知環(huán)境，用機器人代替人類工作就顯得十分必要。傳統(tǒng)的剛體或超冗余度機器人對復(fù)雜環(huán)境的適應(yīng)能力不足以承擔(dān)日趨精密的勘探任務(wù)，而軟體機器人則可以利用自身柔軟、彎曲程度高、自由度大等優(yōu)勢很好地適應(yīng)不同的復(fù)雜環(huán)境，承擔(dān)起勘探、救援等工作。一種柔軟可變形機器人可以通過爬行、跳躍等方式在崎嶇的地形中輕松自如地移動。此外，利用內(nèi)燃爆炸驅(qū)動的方式，機器人可以不受限制地跳躍通過各種障礙。在水下，柔軟的尾鰭推進機器魚可以像魚一樣潛水、擺尾、游動，進而完成水底勘探、搜尋等工作。而仿生章魚機器人運用仿生學(xué)原理，可以通過狹小的通道并利用非結(jié)構(gòu)化的觸手在曲折的地面前進或作出抓取動作。
 

　　醫(yī)療和手術(shù)應(yīng)用。軟機器人天生具有與生物體的自然組織兼容的優(yōu)勢。微創(chuàng)外科手術(shù)為軟體機器人提供了一個巨大的舞臺。軟體機器人能夠突破傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù)方法的局限，如低自由度的操作設(shè)備給手術(shù)帶來的限制。倫敦大學(xué)研制的剛度可控的章魚狀微創(chuàng)外科手術(shù)機器人手臂運用了仿生學(xué)原理，根據(jù)手臂機械性能的需要通過控制機械手臂的剛度更好地配合手術(shù)進行，柔軟的材質(zhì)將手術(shù)的傷害降到低。
 

　　資料來源：戰(zhàn)略前沿技術(shù)、中國科學(xué)報