软体机器人：拥有可生物降解的人造肌肉
2024-09-11 00:00:00沈臻懿
检察风云 2024年16期
提到机器人，人们早已不再陌生。机器人不仅可以代替人们进行工作，还可在恶劣、危险的自然环境或重复劳动中发挥自身特殊的作用。当前，我们在工业流水线等领域看到的机械臂、机器人，一般都是传统意义上有着坚硬外壳和刚性连接器的刚性机器人。考虑到刚性机器人的应用场景相对有限，科学家们从软体动物中不断汲取灵感，并已开始将研究视角聚焦于软体机器人层面。
从“铁憨憨”到“可爱软萌”的软体机器人
长期以来，人们对于机器人的固有印象还停留在硬邦邦的“铁憨憨”形象上。随着科学技术的不断迭代，研发领域持续推陈出新，机器人外形正呈现出“软萌化”的发展态势。2024年2月，丰田研究所发布了一项最新研究成果——软体机器人“普尼奥”。“普尼奥”最显著的特点在于其柔软且富有弹性的软体机器人的属性。这一新型机器人的胸部、双臂和双手结构都被柔性材料所覆盖，并配以尖端的触觉传感器件，以感知任何接触其表面的物体。机器人在人类社会及其与人的互动中，触觉感知与适宜交互尤为重要。柔性结构的存在，赋予了软体机器人贴合和适应被抓握物体轮廓的能力，从而在增强摩擦力、稳定性的同时，实现了更为均匀的握持力度的分布。
如果我们仔细观察软体机器人的手臂便可发现，从其肩膀一直到手腕覆盖着一个又一个的气泡，每条手臂上各有13个，类似于人类手臂骨骼上所包裹的肌肉。这些气泡都是通过模压热封的方式，由PVC材料所制成。软体机器人的手腕部分是一个较大的气泡，大臂、小臂则各由6个稍小的环形结构气泡所构成。每个气泡分别带有两个独立内腔，并通过导管和压力传感器相连接，以探测施加在气泡表面的外力作用。软体机器人手臂上的每个气泡，都可单独调节增压至合适压力，并为手臂表面提供一定厚度的柔性层与最佳的刚度。此外，软体机器人还“穿”着类似柔软毛衣的织物套筒，能够将手臂完全包裹在内。这一结构设计，不仅解决了导管的交杂缠绕问题，还能有效保护手臂上覆盖的气泡结构。
不过，作为软体机器人的“普尼奥”，在柔性外表下，依然有着一颗“坚强”的心——其手臂、躯干和腰部均系硬质金属结构。科学家们将软体机器人的抗冲击性、柔顺性和简洁的传感模式等优势与传统刚性机器人的力量、可靠性和精准性等特点有机融合。在科学家的远程操作训练下，这一软体机器人可以像人类一样，不仅能使用双手来劳作，还会充分利用手臂、胸部、肩膀等柔性区域来协同搬拿、扛举大宗物品。
软体机器人的独特优势
意大利技术研究院（IIT）的研究人员通过对自然界中的蚯蚓运动力学的深入剖析，研发出了一款专门的软体机器人。该柔性机器人由5个串联的制动器模块所组成，全长0.45米，重0.6千克。表面覆盖有柔软的“弹性皮肤”，并封装有流体物质，以模仿蚯蚓的内部结构。当空气进入或抽出时，柔性机器人即会被拉长或压缩，软性材料交替收缩产生逆行蠕动波，从而以蠕动爬行的形式来前行。
一方面，基于软体生物结构的仿生设计，软体机器人相比传统刚性机器人有着更大的变形能力和自由程度；另一方面，软体机器人的制作材料，多为可产生较大应变的柔软弹性材料，能够借助自身形状的连续变化来实现状态运动。这也使得软体机器人具有对目标物适应性强、与环境接触碰撞力小等优势。其不仅可以进入极为狭小的空间范围，还可根据实际环境情形而任意变形、压缩。
前述独特优势的存在，令软体机器人在搜索、救援、航天等领域都有着极为广阔的应用前景。在灾难救援方面，软体机器人可钻入各类特殊、危险环境中寻找伤者，并提供专业帮助。此外，科学家们还尝试利用软体机器人在狭小空间内运行的特点，拓展其在航天器、空间站内部设备运维和操作等任务中的新兴应用。
软体机器人的可生物降解人造肌肉
同传统的刚性机器人一样，软体机器人同样有着使用寿命的期限。当软体机器人达到使用上限后，其制作材料会不会对环境造成影响呢？在绿色技术的加持下，科研家们研发出了一种用于软体机器人的可生物降解人造肌肉。这种材料在达到使用上限后，并不需要长期填埋，只需放入堆肥箱内6个月左右，即可实现完全意义上的生物降解，并成为植物生长所需的肥料。
基于高弹材料所制成的生物降解人造肌肉，类似于充满油的塑料容器，被一对电极所覆盖，通过电极上施加电压的收缩和放松，以达到同人体自然肌肉一样的拉伸效果。由于油和塑料容器都是电的绝缘体，可承受带电电极所产生的高电应力。
人造肌肉的可生物降解性特点，使得该材料即便在人体内，亦可安全分解，从而大大减少了潜在的医疗风险问题。同时，这一可生物降解人造肌肉，还有可能会对涉及临床医疗等多个行业领域带来极大影响，如：选择该材料来制作植入人体的可降解心脏起搏器，可为心脏疾病患者提供更为安全、可靠的诊疗选择。
编辑：黄灵 yeshzhwu@foxmail.com
