會行走、能搬貨，還會“跳街舞”。近日，美國西北大學發(fā)明出一款軟體機器人，該機器人看起來像一只剝開的檸檬皮，它能在水箱中運動，并擁有多種本領(lǐng)，比如搬運物品、催化化學反應、輸送治療劑等，而它只需光場和磁場的驅(qū)動，便可實現(xiàn)上述功能。
DeepTech聯(lián)系到該研究論文的共同第一作者袁航，這位來自重慶的26歲小伙表示，他主要負責研究中的理論與模擬部分，其目前在西北大學OlveradelaCruz實驗室做研究，正在讀應用物理專業(yè)PhD的第四年。該研究論文于近日發(fā)表在ScienceRobotics，題目為“Fastandprogrammablelocomotionofhydrogel-metalhybridsunderlightandmagneticfields。研究主要由西北大學Stupp團隊、以及袁航所在的OlveradelaCruz團隊完成。
快遞無人分揀機器人袁航參與研究的這款機器人，外表酷似檸檬，但它身上90%的成分都由一種名為水凝膠的仿生材料構(gòu)成。如大家所知，傳統(tǒng)機器人通常像個笨重的機器，上面有很多硬件和電子元件，因此它們無法和含人體在內(nèi)的軟結(jié)構(gòu)進行安全互動。而合作團隊設(shè)計的“檸檬片”能在微小空間內(nèi)、水下或地下執(zhí)行任務。該機器人的外觀非常小，直徑約1厘米，只有大拇指指甲蓋那么大，但它能以正常人相同的速度行走、拿起和搬運東西，從能力上看頗具生命屬性。
快遞分揀機器人不掉件全自動分揀機器人的應用該研究的痛點是基于，當前軟體機器人具有很多優(yōu)點，但它們的制造工藝相對簡單。而隨著3D打印的興起，更復雜、更便宜的軟體機器人材料有望誕生，而由于軟體機器人柔性較高，在狹窄工作環(huán)境中可發(fā)揮出獨有的優(yōu)勢，因此業(yè)界一直盼望這類機器人可早日投入應用。然而，目前所有軟體機器人均存在一個巨大問題，即為確保機器人的整體柔性，供能和控制部分通常需要外置。因此機器人在移動時，都會拖著管子或電線，這嚴重影響了機器人自身活動的“自由性”。而袁航所在團隊則巧妙地解決了上述問題，他們使用了輕盈的水凝膠材料，來作為機器人的外表。機器人內(nèi)部包裹著鎳納米線支架，并含有特殊設(shè)計的聚合物分子，這種設(shè)計讓它能對外界磁場產(chǎn)生響應。在保持柔性的同時，它還可擺脫硬件、液壓或電池的束縛。光和磁場的結(jié)合，讓機器人實現(xiàn)行走或滾動袁航表示，機器人用的水凝膠材料具有雙重響應，它既能對光響應，也能對磁場響應。在水凝膠的基礎(chǔ)上，該團隊加入一種對光敏感的分子，這種分子一旦受到光的照射，就會從親水性變成疏水性，這時水凝膠就會收縮、并把水排出去，機器人隨之就會產(chǎn)生光控制的彈性形變。另一方面，袁航和團隊在合成材料時，把帶鐵磁性的納米線和水凝膠單分子放到一起，加上磁場后，就能把納米線排列起來，使得它們能沿特定方向排列。同時，在合成水凝膠的過程中，納米線也會被固定到水凝膠里面，這樣水凝膠不僅能對光產(chǎn)生效應，由于其內(nèi)部的磁性納米線，也使得它能被外加磁場控制。
揚中四軸分揀機器人圖|水凝膠機器人在旋轉(zhuǎn)磁場下執(zhí)行任務當施加外磁場，水凝膠內(nèi)部固定的磁性納米線就會向水凝膠施加應力，從而讓水凝膠產(chǎn)生形變，基于該原理就能控制機器人行走或者滾動。概括來說，這是基于磁場和彈性之間的一種耦合。這種化學合成，除讓機器人實現(xiàn)行走和滾動之外，還能讓它通過狹窄通道和復雜路線。當暴露在LED光下時，機器人的分子會排斥水分并讓水分子逸出，其自身也會從平面十字形狀、變成站立姿勢，此時它的“腿”就像肌肉一樣緊繃。由于機器人內(nèi)嵌的鎳骨架具有鐵磁性，因此可通過磁場使機器人的腿部移動。為了驅(qū)動機器人，該團隊把外加磁場編程為特定的序列，這些序列能讓機器人沿著所需路徑運動，再加上精確的計算，就可讓機器人沿著預設(shè)的任意路徑進行運動。
圖|光觸發(fā)在旋轉(zhuǎn)磁場下行走袁航說，此前機器人多數(shù)用3D打印，因此在材料合成時，磁場方向基本通過磁化就會固定下來，所以要改磁化方向就必須得加磁場。但是該團隊加入了光場，因此可通過光場來調(diào)控磁化方向，磁化方向一變，機器人對磁場的響應也會隨之改變。據(jù)悉，在該團隊中的Stupp組于今年早些時候發(fā)表的一項研究中，機器人材料可以在幾分鐘內(nèi)實現(xiàn)彎曲，并以每12小時一步的緩慢速度爬行。而現(xiàn)在的“檸檬片”可在磁場的響應下每秒邁出大約一步，可操控性更強，就像控制玩具車一樣。一旦到達目的地，該機器人就可通過倒轉(zhuǎn)形狀來卸載貨物，或者用跳街舞一樣的旋轉(zhuǎn)動作來脫落和釋放較粘稠的物體。此外，該軟體機器人還可通過分子設(shè)計，來識別并主動清除特定環(huán)境中不需要的顆粒，其運動速度也比此前誕生于同一實驗室的軟性機器人要快得多。
圖|水凝膠機器人響應納米線取向的行走模式對于上述功能的實現(xiàn)，袁航告訴DeepTech，在機器人進行轉(zhuǎn)向與軌跡設(shè)計實驗時，他遵循磁彈性的理論，搭建了數(shù)值計算模型，并基于機器人感光后的形狀與外加磁場強度，預測出了機器人相應的運動軌跡。機器人在運動時，需要一個很好的數(shù)學模型，所以袁航先在模型中計算，需要怎樣的磁場來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。然后，他和團隊用在模型上計算出來的磁場，加載在實驗室的設(shè)備上面，最終發(fā)現(xiàn)了和模型預言相當吻合的行為。可做藥物遞送和容器反應袁航認為，未來的機器人版本可能更小，甚至可以達到微米級別，屆時就可在微觀層面上操作，比如用于在病人體內(nèi)的定向輸送藥物，將生物治療劑或細胞精確地輸送到特定組織。除遞送藥物之外，由于機器人中用的水凝膠具有親水性，所以它和一些生物組織非常接近，也就是具備一定軟度，因此可把它作為一種反應容器。比如要到達人體內(nèi)一些不好到達的特殊位置，就可以讓機器人過去。因為它和水有很好的兼容性，那就可以把一些化學分子擴散到機器人中來進行反應。而機器人在合成時，還可加入一些特定的靶向分子，這樣就能在機器人上面進行反應。
圖|旋轉(zhuǎn)磁場下的轉(zhuǎn)向運動和路徑概括來說，該機器人是基于模仿生物的新材料設(shè)計，它不僅能實現(xiàn)更快的反應，還能實現(xiàn)更復雜的功能。除改變形狀之外，還可給其添加腿部，并給予它更多的行走步態(tài)和更智能的行為。屆時機器人就會具有高度的通用性，并能用于不同的任務。理論上，該機器人還可以被編程為“集群”陳列，并去模仿自然界中鳥類、細菌群落或海洋魚群，擴大規(guī)模后它們能處理更多任務。例如，在傷口縫合時，可以設(shè)計上百萬個微型機器人，讓它們執(zhí)行類似于組織細胞、或組織細菌群的任務。袁航表示，該機器人在對外界刺激產(chǎn)生的響應方面，依舊非常值得探索。此外，材料的幾何還很簡單，未來他們可能會設(shè)計出外觀更精巧的機器人。此外，當機器人系統(tǒng)變得很小的時候，周圍環(huán)境的熱漲落、周圍流體的粘滯性，都是需要考慮的因素。故此，袁航和團隊還需基于目前材料，去產(chǎn)生新的驅(qū)動方案，屆時機器人有望實現(xiàn)更豐富的操控。但無論如何，本次研究告別了此前機器人只能單一響應的局限性，是少有可實現(xiàn)既有光響應、又有磁場響應的機器人。據(jù)袁航表示，他本科就讀于上海交通大學致遠學院物理班，該學院專注于基礎(chǔ)學科，這讓他受到了良好的訓練。本科畢業(yè)后，他來到美國西北大學就讀應用物理專業(yè)PhD。談及出國留學，袁航說他和當前導師在風格上比較適合，在對方指導下，他也有機會接觸到比較好的課題。而在本次研究中，他主要負責理論與模擬部分。另一位共同第一作者李闖，是一位85后，博士畢業(yè)于清華大學，目前在西北大學Stupp組進行博士后研究工作，其主要負責材料部分和實驗部分。對于該合作，袁航表示，本次研究屬于理論和實驗結(jié)合得比較好的例子，而這在科研中并不容易遇到。-End-
原文標題：“檸檬皮”軟體機器人！26歲重慶小伙聯(lián)合發(fā)明光磁場機器人，可爬坡、可卸貨，有望用于體內(nèi)藥物遞送｜專訪
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