馬里蘭大學(xué)頂刊研究：帶有集成流體電路的完全3D打印的軟體機(jī)器人

導(dǎo)讀：2021年7月18日，南極熊獲悉，馬里蘭大學(xué)的工程師們利用3D打印技術(shù)開發(fā)了一個(gè)能夠播放任天堂娛樂系統(tǒng)（NES）的軟體機(jī)器人手臂，并且還運(yùn)用它打通關(guān)了《超級(jí)馬里奧兄弟》，不可思議吧！此外，這項(xiàng)研究還被發(fā)表在頂刊《Science Advances》上，足見它的前沿性和含金量之高，感興趣的讀者可在文末獲取下載鏈接。

研究人員使用Stratasys PolyJet技術(shù)打印的三指軟體機(jī)器人具有完全集成的流體電路，這意味著它的運(yùn)動(dòng)是由氣壓而非電力驅(qū)動(dòng)。雖然研究人員完全可以選擇一種標(biāo)準(zhǔn)的演示來評(píng)估這只手的性能，如彈鋼琴曲，但他們認(rèn)為視頻游戲的精確性和目標(biāo)導(dǎo)向性也不失為一個(gè)更好的實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

這項(xiàng)研究的合著者Ryan Sochol寫道："在鋼琴上，我們可以任意設(shè)置節(jié)奏，任何像錯(cuò)過一個(gè)音符的錯(cuò)誤都不會(huì)有意義的懲罰。相比之下，視頻游戲的時(shí)間和關(guān)卡構(gòu)成早已確定，而且是一成不變的，只要有一個(gè)錯(cuò)誤就能立即導(dǎo)致游戲結(jié)束，所以實(shí)時(shí)玩《超級(jí)馬里奧兄弟》這樣的游戲?yàn)樵u(píng)估軟體機(jī)器人的性能提供了一種獨(dú)特的挑戰(zhàn)和絕佳的手段。"令人難以置信的是，3D打印的機(jī)器人竟然真的打過了《超級(jí)馬里奧兄弟》的第一關(guān)。

△3D打印的軟體機(jī)器人手。照片來自馬里蘭大學(xué)

什么是軟體機(jī)器人？

顧名思義，軟體機(jī)器人是一類特殊的機(jī)器人，其特點(diǎn)是可塑和可變形。它們通常使用橡膠或硅膠等柔性材料制造，多年來已經(jīng)在醫(yī)療和制造領(lǐng)域得到應(yīng)用。

由于它們能夠圍繞復(fù)雜的結(jié)構(gòu)進(jìn)行塑形和擴(kuò)展，軟體機(jī)器人可以被植入人體而幾乎沒有組織損傷的風(fēng)險(xiǎn)。這使它們成為研究外科工具、藥物輸送裝置和定制假肢等應(yīng)用的重要領(lǐng)域。此外，它們還在大批量的生產(chǎn)設(shè)施中發(fā)現(xiàn)了自己的用途，在那里，公司正越來越多地在生產(chǎn)線上采用軟機(jī)器人抓手。

圖1 用于PolyJet 3D打印統(tǒng)一的軟體機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和增材制造策略，包括在一次打印過程中完全集成的流體電路。(A) 模塊化的三維CAD模型和流體電路元件、流體互連、軟執(zhí)行器和結(jié)構(gòu)外殼的類似電子電路符號(hào)。(B) 具有完全集成的流體振蕩器電路的統(tǒng)一軟機(jī)器人的CAD模型和相應(yīng)的模擬電路圖。(C) 使用順應(yīng)性（黑色）、剛性（白色）和水溶性支持（黃色）材料的多材料PolyJet3D打印軟機(jī)器人的概念圖。(D) PolyJet 3D打印過程的連續(xù)時(shí)間推移圖像。比例尺，5厘米。(E和F）具有集成流體電路的統(tǒng)一的多材料軟體機(jī)器人的制造結(jié)果（E）在去除支撐材料之前和（F）之后，比例尺，2厘米。照片來源。Ruben Acevedo，馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校。

Sochol對(duì)媒體解釋說："這些特殊類型的機(jī)器人使用水或空氣等流體作為動(dòng)力，軟體機(jī)器人可以相對(duì)容易地伸展或充氣或放氣。因此，它們具有固有的適應(yīng)性，可以圍繞復(fù)雜的、有時(shí)是脆弱的物體進(jìn)行改造。"

軟體機(jī)器人的實(shí)驗(yàn)在3D打印領(lǐng)域也是比比皆是。今年早些時(shí)候，哈佛大學(xué)的研究人員3D打印了一群軟體機(jī)器人魚，能夠在沒有Wi-Fi或GPS的幫助下以復(fù)雜的模式游泳。該團(tuán)隊(duì)的" Bluebots"的靈感來自于獨(dú)特的珊瑚礁居住的外科魚，它有四個(gè)鰭用于精確導(dǎo)航，還有一個(gè)LED和攝像頭系統(tǒng)，使它們能夠成群結(jié)隊(duì)而不發(fā)生碰撞。

在其他地方，中國(guó)天津大學(xué)的科學(xué)家們之前已經(jīng)3D打印了一個(gè)可定制的機(jī)器人，能夠?qū)崟r(shí)縮放和監(jiān)測(cè)工業(yè)設(shè)施的管道。這個(gè)單件設(shè)備具有一系列軟彎曲機(jī)制和模塊化抓手，使其能夠靈活地攀爬形狀怪異的基礎(chǔ)設(shè)施。

△Sochol的研究團(tuán)隊(duì)使用3D打印的機(jī)器人手玩“超級(jí)馬里奧兄弟”。照片來自馬里蘭大學(xué)

3D打印集成流體電路

那么是什么讓Sochol的3D打印機(jī)器人設(shè)計(jì)如此獨(dú)特？馬里蘭大學(xué)的研究人員整合了他們所謂的"流體電路"——一種能夠控制機(jī)器人手指的管道。3D打印的軟體機(jī)器人沒有像傳統(tǒng)的電子微芯片那樣使用半導(dǎo)體晶體管來發(fā)出開關(guān)信號(hào)，而是利用每個(gè)手指中的壓力傳感器。然后，手指的驅(qū)動(dòng)由流經(jīng)手部的氣壓控制。

△用來控制手部手指的流體電路。圖片來自馬里蘭大學(xué)。

Sochol補(bǔ)充說："這里的特別之處在于，我們制作了一種新型的流體電路，可以感知空氣的壓力類型，以決定它的行為方式。例如，當(dāng)沒有壓力時(shí)，沒有手指被激活。當(dāng)有低氣壓時(shí)，只有第一個(gè)手指被激活。在中等壓力下，中指被激活，在高壓下，最后一個(gè)手指被激活。通過編程使不同的氣壓組合通過手掌，該團(tuán)隊(duì)能夠在NES控制器上穿越1-1世界，并避開所有的古堡，使馬里奧在最后到達(dá)旗桿。“

為了推動(dòng)軟體機(jī)器人的發(fā)展和提高可及性，Sochol和他的團(tuán)隊(duì)非常友好地將機(jī)器人的設(shè)計(jì)文件開源到GitHub上。有關(guān)這項(xiàng)研究的更多細(xì)節(jié)可以在題為《Fully 3D-printedsoft robots with integrated fluidic circuitry》的論文中找到。

相關(guān)論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257