麻省理工學(xué)院(MIT)的工程師們制造了透明的水凝膠機(jī)器人，通過(guò)泵入或泵出水來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)。該機(jī)器人可以執(zhí)行許多快速且需要“力氣”的任務(wù)，例如在水下踢球、抓放小魚。

水凝膠是一種堅(jiān)韌且?guī)缀跬该鞯南鹉z材料，主要成分是水。每個(gè)機(jī)器人由精確設(shè)計(jì)的水凝膠中空結(jié)構(gòu)組成，與橡膠管連接。研究人員將水泵入水凝膠機(jī)器人時(shí)，迅速膨脹的結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人能夠卷曲或伸展。

研究團(tuán)隊(duì)打造了幾款不同的水凝膠機(jī)器人，包括可以來(lái)回伸展收縮的鰭狀結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)踢球動(dòng)作的鉸接結(jié)構(gòu)，以及能夠抓取和釋放動(dòng)作的手形機(jī)器人。

因?yàn)樗z機(jī)器人由水驅(qū)動(dòng)，并且組成成分幾乎完全是水，因此它們具有與水十分相似的視覺(jué)和聲學(xué)特性。研究人員指出，如果將這些機(jī)器人用于水下場(chǎng)景，它們將幾乎是“隱身”的。

該團(tuán)隊(duì)由MIT機(jī)械與土木環(huán)境工程學(xué)院的趙選賀副教授和研究生Hyunwoo Yuk主導(dǎo)，他們目前正在尋求水凝膠機(jī)器人在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用。

趙教授說(shuō)：“水凝膠的柔軟性、水溶性和生物相容性使之可以更好地應(yīng)用在人體器官中。 目前，我們正在積極與醫(yī)療團(tuán)體合作，將水凝膠做成柔軟的手術(shù)器材，例如水凝膠抓手。它可以在手術(shù)操作中更加溫和地操控、移動(dòng)人體組織和器官。”

最近，趙教授在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。研究的合作者包括MIT機(jī)械工程副教授Nicholas X. Fang、博士后Mahdi Takaffoli和研究生Shaoting Lin和Chu Ma等。

機(jī)器人配方

過(guò)去5年中，趙教授的團(tuán)隊(duì)一直致力于開(kāi)發(fā)水和聚合物混合溶液的“配方”，從而得到堅(jiān)韌且具有拉伸性的水凝膠材料。他們開(kāi)發(fā)了水凝膠粘合劑，可以在玻璃、金屬、陶瓷、橡膠等表面產(chǎn)生抗剝離強(qiáng)度極高的粘結(jié)結(jié)構(gòu)。

團(tuán)隊(duì)很快意識(shí)到，這種耐用、柔韌的高粘合水凝膠可能是軟性機(jī)器人的理想材料。此前，許多團(tuán)體已經(jīng)成功使用硅膠等橡膠材料設(shè)計(jì)出了軟機(jī)器人，但這些材料不像水凝膠那樣具有生物相容性。趙教授說(shuō)，水凝膠幾乎由水組成，可以更安全地應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)上。

此外，相比其他水凝膠機(jī)器人在重復(fù)操作下產(chǎn)生裂痕或爆裂的易脆性，趙教授的“配方”更為柔軟，更為適合發(fā)展柔性機(jī)器人。

Yuk說(shuō)： “最初我們并沒(méi)有直接想到柔性機(jī)器人項(xiàng)目，但意識(shí)到了水凝膠可以作為有效的執(zhí)行器發(fā)揮作用。”

快速并且有力

為了將水凝膠材料應(yīng)用于柔性機(jī)器人，研究人員試圖從動(dòng)物界中找到靈感。 他們注意到了“玻璃鰻魚”：微小透明的水凝膠狀鰻魚幼蟲在海洋中孵化，最終遷移到它們的自然河流棲息地。

Yuk說(shuō)：“這是一段十分漫長(zhǎng)的旅行。玻璃鰻魚并沒(méi)有特殊的保護(hù)手段，但它們近乎透明的身體成為有效的偽裝。我們想要達(dá)到與玻璃鰻魚水平相似的透明度、力量和速度。”

為此，研究人員使用3D打印和激光切割技術(shù)將他們的水凝膠配方打印成中空結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，并通過(guò)橡膠管與外部的泵連接。

研究人員使用注射器泵向中空結(jié)構(gòu)中注水，使機(jī)器人結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速卷曲或拉伸，移動(dòng)的速度取決于機(jī)器人的整體構(gòu)造。

趙教授的研究小組發(fā)現(xiàn)，在注水后，水凝膠機(jī)器人可以產(chǎn)生快速有力的反應(yīng)，在1秒鐘內(nèi)產(chǎn)生幾牛頓的力。相比之下，其他研究人員通過(guò)簡(jiǎn)單滲透實(shí)現(xiàn)水凝膠機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的過(guò)程通常十分緩慢，在數(shù)分鐘甚至幾小時(shí)內(nèi)才能產(chǎn)生幾毫牛的力。

抓取和釋放

這種水凝膠機(jī)器人能夠承受多達(dá)1000次循環(huán)使用而不產(chǎn)生破裂或撕裂。另外，與橡膠和其他常用的軟機(jī)器人材料不同，得益于水凝膠和水在聲學(xué)和光學(xué)方面的高度相似性，它們?cè)谒聨缀跏请[形的。

作為該技術(shù)的示范實(shí)驗(yàn)之一，研究人員制造了一個(gè)手形機(jī)器人，通過(guò)水的泵入和泵出可以實(shí)現(xiàn)夾子的打開(kāi)和合攏。研究人員將夾子浸沒(méi)在金魚魚缸中，當(dāng)魚游過(guò)去時(shí)，夾子可以產(chǎn)生快速且足夠大的力，將金魚捕獲。

趙教授說(shuō)：“當(dāng)把魚釋放時(shí)，它仍然歡快的游來(lái)游去。這是因?yàn)樗z十分柔軟，不會(huì)對(duì)魚造成任何傷害。用堅(jiān)硬的傳統(tǒng)手形機(jī)器人很難實(shí)現(xiàn)這種效果。”

接下來(lái)，研究人員計(jì)劃細(xì)分水凝膠機(jī)器人的特定用途，根據(jù)不同的場(chǎng)合定制水凝膠的配方。例如，在很多醫(yī)療應(yīng)用中并不需要完全透明的結(jié)構(gòu);一些應(yīng)用中需要機(jī)器人的某些部分比其他部分硬度高。