“吹气球”也能上《自然》封面!普林斯顿大学开发“花式气球”软机器人

随着生活和医疗水平的提高,我国人口老龄化日趋严重。在我国中老年人群脑卒中发病率较高,偏瘫率高达 80%~90%。社会对康复治疗资源的需求量不断增大。

随着生活和医疗水平的提高,我国人口老龄化日趋严重。在我国中老年人群脑卒中发病率较高,偏瘫率高达 80%~90%。社会对康复治疗资源的需求量不断增大。传统康复治疗方法操作复杂,消耗大量人力、物力,通过康复机器人训练不仅能降低经济成本,还容易获得相当于甚至优于治疗师的功能修复。

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但是传统的刚性机器人不适合与人类发生互动提供个人护理、医疗保健。显然这些用途需要软机器人来帮忙,软体机器人质量轻、自由度高、与人体相容性好变形连续、安全性能好,在康复领域愈受青睐。通过模仿软体生物如章鱼、蠕虫、毛毛虫等,软体机器人具备变形能力(如图)。

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2019年中国科学院深圳先进技术研究院申请了一项专利“一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法”。此发明提供了一种手部功能康复训练的软体机器人手套及控制方法。该手套包括手掌部分和多个手指部分,每个手指部分的内外表面之间包含内腔结构,内腔结构分为非关节处内腔结构和关节处内腔结构,并且分别独立设置用于控制内腔形变的执行部位。本发明的软体机器人手套和控制方法能够灵活精确地控制手指每个关节的动作以及与手套的贴合程度,提高了佩戴者的舒适度和康复训练效果。

近日,NATURE封面文章发表了普林斯顿大学研究人员关于软机器人的新成果,他们发明了气泡铸造,一种使用“花式气球”制造软机器人的新方法,这种气球在充气时会以可预测的方式改变形状。

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气泡铸造利用流体力学的基本规则为软机器人创建执行器。研究人员把一种称为弹性体的液体聚合物注射到一个简单的模具中(吸管、螺旋形或鳍状肢),该聚合物固化后成为一种橡胶状的弹性材料。然后将空气注入液体弹性体中,在整个模具长度上形成一个长气泡。重力使弹性体排到底部时,气泡慢慢上升到顶部。弹性体硬化后将其从模具中取出并用空气充气,这会导致带有气泡的薄面在较厚的底座上拉伸和卷曲。

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研究人员模拟了驱动器如何弯曲和表现为弹性杆,另外展示了如何利用这一知识来设计受黄瓜卷启发的柔软机器人肌肉。这些肌肉可以用于各种大小和力量,并可以集成到可编程的软机器。研究团队使用气泡铸造技术创造了软机器人,能够在充气时抓住和举起球。

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为了测试此项技术的重复性,研究人员制造多种软性机器人。有能够轻轻握住黑莓的“星形手”,像肌肉一样收缩的线圈,在整个系统膨胀时一根根卷起的“手指”,收缩舒张可以包裹物品的抓手等。(动图)是不是很神奇呢?

这项技术的高明之处在于仅通过自然流体运动来塑造结构的想法。气泡铸造的主要优点是它不依赖 3D 打印机、激光切割机或其他通常用于软机器人的昂贵工具。另外更重要的是它有可能生产出几米长的执行器,甚至是用传统制造方法无法制造的微米级执行器。

研究人员称未来将使用此系统创建更复杂的执行器并探索新的应用。比如在连续波中一起移动的执行器,类似行走的千足虫的双脚一样。软机器人将能够钻进那些依靠人力或传统机器人难以到达的狭小空间工作,如地震灾区救援或者战场侦察等。

气泡铸造的软机器人更是有希望进入人体,在人体内穿梭进行手术治疗。或者是利用此技术制造带有腔室的执行器,这些腔室使用单个压力源使它们膨胀,模拟人类心脏的交替收缩和舒张,或是环绕心脏以帮助其跳动的植入式设备,可以解决器官移植供体缺乏的情况。在修复手术方面,软体机器人或许可以成为人类身体的一部分,成为患者的外骨骼,让身体残缺的人重新变成一个正常人。康复方面可制造康复用的可穿戴外装。

未来软体机器人还可能上天下海,成为人类探索自然的“先头部队”,帮助人类深入到星球的隐秘角落。2019年底,在深度可以达到1万多米太平洋马里亚纳海沟,浙江大学航空航天学院的李铁风教授,克服了大风大浪的极端恶劣天气,带领团队对一外型酷似海鱼的仿生软体机器人进行了测试,结果表现优异。

期待未来软机器人应用于生活生产医疗的各个方面!

参考文献:

Nature. 2021 Nov;599(7884):229-233.Bubble casting soft robotics

医疗卫生装备秀,康复机器人研究进展[J]. 2020.41(4):97-102.

撰文 | Ann

编辑|小耳朵


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