麻省理工学院制造透明机器人,可在水下捉鱼

发表于 讨论求助 2020-03-25 16:53:09



麻省理工学院(MIT)的工程师们制造了透明的水凝胶机器人,通过泵入或泵出水来实现机器人的移动。该机器人可以执行许多快速且需要“力气”的任务,例如在水下踢球、抓放小鱼。



水凝胶是一种坚韧且几乎透明的橡胶材料,主要成分是水。每个机器人由精确设计的水凝胶中空结构组成,与橡胶管连接。研究人员将水泵入水凝胶机器人时,迅速膨胀的结构使得机器人能够卷曲或伸展。



研究团队打造了几款不同的水凝胶机器人,包括可以来回伸展收缩的鳍状结构,可以实现踢球动作的铰接结构,以及能够抓取和释放动作的手形机器人。

因为水凝胶机器人由水驱动,并且组成成分几乎完全是水,因此它们具有与水十分相似的视觉和声学特性。研究人员指出,如果将这些机器人用于水下场景,它们将几乎是“隐身”的。


该团队由MIT机械与土木环境工程学院的赵选贺副教授和研究生Hyunwoo Yuk主导,他们目前正在寻求水凝胶机器人在医疗领域的应用。


赵教授说:“水凝胶的柔软性、水溶性和生物相容性使之可以更好地应用在人体器官中。 目前,我们正在积极与医疗团体合作,将水凝胶做成柔软的手术器材,例如水凝胶抓手。它可以在手术操作中更加温和地操控、移动人体组织和器官。”


最近,赵教授在《自然通讯》上发表了他们的研究结果。研究的合作者包括MIT机械工程副教授Nicholas X. Fang、博士后Mahdi Takaffoli和研究生Shaoting Lin和Chu Ma等。

 



机器人配方

 

过去5年中,赵教授的团队一直致力于开发水和聚合物混合溶液的“配方”,从而得到坚韧且具有拉伸性的水凝胶材料。他们开发了水凝胶粘合剂,可以在玻璃、金属、陶瓷、橡胶等表面产生抗剥离强度极高的粘结结构。


团队很快意识到,这种耐用、柔韧的高粘合水凝胶可能是软性机器人的理想材料。此前,许多团体已经成功使用硅胶等橡胶材料设计出了软机器人,但这些材料不像水凝胶那样具有生物相容性。赵教授说,水凝胶几乎由水组成,可以更安全地应用在生物医学上。



此外,相比其他水凝胶机器人在重复操作下产生裂痕或爆裂的易脆性,赵教授的“配方”更为柔软,更为适合发展柔性机器人。


Yuk说: “最初我们并没有直接想到柔性机器人项目,但意识到了水凝胶可以作为有效的执行器发挥作用。”

 


快速并且有力

 

为了将水凝胶材料应用于柔性机器人,研究人员试图从动物界中找到灵感。 他们注意到了“玻璃鳗鱼”:微小透明的水凝胶状鳗鱼幼虫在海洋中孵化,最终迁移到它们的自然河流栖息地。


Yuk说:“这是一段十分漫长的旅行。玻璃鳗鱼并没有特殊的保护手段,但它们近乎透明的身体成为有效的伪装。我们想要达到与玻璃鳗鱼水平相似的透明度、力量和速度。”


为此,研究人员使用3D打印和激光切割技术将他们的水凝胶配方打印成中空结构的机器人,并通过橡胶管与外部的泵连接。



研究人员使用注射器泵向中空结构中注水,使机器人结构实现快速卷曲或拉伸,移动的速度取决于机器人的整体构造。


赵教授的研究小组发现,在注水后,水凝胶机器人可以产生快速有力的反应,在1秒钟内产生几牛顿的力。相比之下,其他研究人员通过简单渗透实现水凝胶机器人运动的过程通常十分缓慢,在数分钟甚至几小时内才能产生几毫牛的力。


 

抓取和释放

 

这种水凝胶机器人能够承受多达1000次循环使用而不产生破裂或撕裂。另外,与橡胶和其他常用的软机器人材料不同,得益于水凝胶和水在声学和光学方面的高度相似性,它们在水下几乎是隐形的。


作为该技术的示范实验之一,研究人员制造了一个手形机器人,通过水的泵入和泵出可以实现夹子的打开和合拢。研究人员将夹子浸没在金鱼鱼缸中,当鱼游过去时,夹子可以产生快速且足够大的力,将金鱼捕获。


赵教授说:“当把鱼释放时,它仍然欢快的游来游去。这是因为水凝胶十分柔软,不会对鱼造成任何伤害。用坚硬的传统手形机器人很难实现这种效果。”


接下来,研究人员计划细分水凝胶机器人的特定用途,根据不同的场合定制水凝胶的配方。例如,在很多医疗应用中并不需要完全透明的结构;一些应用中需要机器人的某些部分比其他部分硬度高。

 




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