描述：哈佛大學(xué)在仿生機(jī)器人上又取得突破性成果，發(fā)明了首個(gè)全自動(dòng)的章魚仿生機(jī)器人“八爪怪”。這是全球首例完全柔性、完全自主運(yùn)動(dòng)、自帶燃料、無需電池的軟體機(jī)器人，不包含任何剛性電子元件如電池或計(jì)算機(jī)芯片等，并且其運(yùn)動(dòng)無需連接計(jì)算機(jī)。具有軟萌的章魚哥外形，又具備翩翩起舞的運(yùn)動(dòng)能力，轟動(dòng)一時(shí)，堪稱機(jī)器人界的“網(wǎng)紅”。

　　哈佛大學(xué)在仿生機(jī)器人上又取得突破性成果，發(fā)明了首個(gè)全自動(dòng)的章魚仿生機(jī)器人“八爪怪”。這是全球首例完全柔性、完全自主運(yùn)動(dòng)、自帶燃料、無需電池的軟體機(jī)器人，不包含任何剛性電子元件如電池或計(jì)算機(jī)芯片等，并且其運(yùn)動(dòng)無需連接計(jì)算機(jī)。具有軟萌的章魚哥外形，又具備翩翩起舞的運(yùn)動(dòng)能力，轟動(dòng)一時(shí)，堪稱機(jī)器人界的“網(wǎng)紅”。

　　雖然看起來很像小孩子生日聚會(huì)上禮品袋里的玩具，但“八爪怪”仿生機(jī)器人卻無疑代表了機(jī)器人技術(shù)驚人的進(jìn)步。隨著“八爪怪”進(jìn)一步的完善，在未來將有望被應(yīng)用于海洋探測(cè)與救援、海水溫度檢測(cè)甚至軍事勘測(cè)等諸多領(lǐng)域。

　　

 

　　為了讓大家更加了解科學(xué)家是如何制造出“八爪怪”軟體機(jī)器人，DT君走進(jìn)了哈佛大學(xué)詹尼弗·劉易斯(Jennifer Lewis)實(shí)驗(yàn)室。

　　廢話不多說，我們先來圖解“八爪怪”的制造過程：

　　

 

　　研究人員稱量制作“八爪怪”身體的硅酮混合物

　　

 

　　研究人員準(zhǔn)備用于3D打印的鉑金屬墨水

　　

 

　　自制的章魚形狀模具，用于構(gòu)造“八爪怪”的身體。

　　

 

　　“八爪怪”的中心是一個(gè)柔性微流控芯片，作為機(jī)器人的“大腦”，控制所有八個(gè)觸手的運(yùn)動(dòng)。

　　

 

　　第一步，將硅酮混合物倒入章魚模具，覆蓋芯片。

　　

 

　　然后，3D打印機(jī)在硅酮樹脂中打印兩種墨水線條：鉑金屬墨水用于與“燃料”雙氧水反應(yīng)形成驅(qū)動(dòng)機(jī)器人觸手運(yùn)動(dòng)的氣體;另一種墨水將作為犧牲層，在烘烤步驟蒸發(fā)掉，在機(jī)器人身體內(nèi)部形成中空的管道，用于氣體流通。

　　

 

　　用來制作“八爪怪”的全套工具和模具，研究人員嘗試了300多次才成功實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的“八爪怪”。

　　

 

　　植入“八爪怪”身體中央的微流控芯片的細(xì)節(jié)特寫圖。

　　

 

　　制作章魚形狀模具的設(shè)備

　　

 

　　通常，“八爪怪”本體是無色的，有時(shí)用一些顯眼的染料來表明結(jié)構(gòu)。

　　

 

　　這里顯示的不同顏色標(biāo)明了氣體通過“八爪怪”的通路，用于交替控制其四只觸手，幫助其進(jìn)行移動(dòng)。“八爪怪”機(jī)器人大約2英寸長(zhǎng)。

　　

 

　　這張圖是瞎拍著玩兒的，“八爪怪”在黑暗中能發(fā)光

　　該實(shí)驗(yàn)室的研究生瑞安·特魯比(Ryan Truby)表示：“所有的部分都是自主制作的”。其中，“八爪怪”軟體機(jī)器人材料部分的研究正是在該實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的，而“八爪怪”的章魚形狀模具和微流控芯片則是由羅伯特·伍茲(Robert Woods)實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的。制作“八爪怪”的材料就是很多微流控實(shí)驗(yàn)室中常用的材料，但是研究者嘗試了300多次實(shí)驗(yàn)才得到最佳的“配方”。

　　首先，研究者將微流控芯片放入自制的章魚形狀模具中;然后，向空模具中注入硅酮(聚硅氧烷)混合物，覆蓋芯片;最后，研究者利用3D打印機(jī)在硅酮材料中打印兩種墨水線條，然后烘烤四天。烘烤將使得整個(gè)章魚形狀密封，并使其中打印的兩種墨水之一蒸發(fā)掉，只留下中空的導(dǎo)管，最終用于使氣壓流過并控制其運(yùn)動(dòng)。

　　說起機(jī)器人，大多數(shù)人首先聯(lián)想到的一般是電影《終結(jié)者》或者《變形金剛》里的形象，而在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)“機(jī)器人”也確實(shí)都由金屬材料組成。然而現(xiàn)在越來越多的科學(xué)家們對(duì)柔性非常高的“軟體機(jī)器人”產(chǎn)生了興趣。

　　軟體機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)，它們制造工藝簡(jiǎn)單，能夠用3D打印完成，材料價(jià)格相對(duì)低廉，此外由于柔性高，在狹窄的工作環(huán)境中可以發(fā)揮出獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。

　　然而，到目前為止，所有的軟體機(jī)器人都存在著一個(gè)巨大的問題，那就是由于供能和控制部分通常需要外置，以確保機(jī)器人的整體柔性。因此機(jī)器人在移動(dòng)時(shí)都會(huì)拖著長(zhǎng)長(zhǎng)的管子或者電線，嚴(yán)重地影響了自身活動(dòng)的“自由性”。

　　“八爪怪”則巧妙地解決了這一問題，它在保持柔性的同時(shí)集成了需要的一切，包括了運(yùn)動(dòng)器(actuator)，控制系統(tǒng)和功能系統(tǒng)，因此可以完全“自由”地活動(dòng)。

　　

 

　　邏輯電路與電路板相似，可以自動(dòng)控制動(dòng)力

　　解決這一問題的核心關(guān)鍵在于如何建造一個(gè)柔性的能量供給和動(dòng)力輸出系統(tǒng)，哈佛大學(xué)的工程師們給出的答案是這樣的——我們不用電池，而是直接用“燃料”。

　　

 

　　章魚機(jī)器人內(nèi)部反應(yīng)室的整體驅(qū)動(dòng)單元的上半部分，以及一個(gè)觸手內(nèi)的驅(qū)動(dòng)過程。展示了微流控制技術(shù)將液體注入與排空的原理。

　　所以說，雖然“八爪怪”外表十分軟萌可愛，其本體實(shí)際上相當(dāng)于一個(gè)氣動(dòng)導(dǎo)管，實(shí)質(zhì)上是通過氣壓控制其運(yùn)動(dòng)。

　　為了實(shí)現(xiàn)“八爪怪”的自主移動(dòng)，研究者使用的就是醫(yī)院常用的消毒劑——高濃度的雙氧水(化學(xué)名稱為過氧化氫)。科學(xué)家們以50%濃度的過氧化氫水溶液為燃料，鉑金屬為發(fā)動(dòng)機(jī)(實(shí)際上是催化劑，為了達(dá)到更好的催化效果，實(shí)際采用的是鉑金屬粉末)。

　　

 

　　50%質(zhì)量比的過氧化氫在鉑金屬粉末的催化下迅速釋放氧氣

　　研究者將雙氧水通過導(dǎo)管泵入其身體中央的內(nèi)部腔室，最終與內(nèi)部設(shè)計(jì)的鉑金屬線相接觸而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生氣體。氣體從這里膨脹并通過稱為微流體控制器的微型芯片，驅(qū)動(dòng)“八爪怪”的觸手運(yùn)動(dòng)。

　　整個(gè)過程中交替地釋放氣體，分別控制“八爪怪”一半的觸手上下移動(dòng)和游動(dòng)，看起來就像翩翩起舞。據(jù)稱，消耗一毫升的雙氧水燃料，“八爪怪”能夠移動(dòng)大約八分鐘。

　　然而，“八爪怪”還遠(yuǎn)非完美。目前“一罐”燃料的使用時(shí)間大概在4-8分鐘之間，而機(jī)器人自主轉(zhuǎn)向的能力則幾乎為零。

　　

 

　　章魚機(jī)器人內(nèi)部的微流體邏輯電路 圖片來源：哈佛大學(xué)

　　目前，科學(xué)家們正在制造不同大小的“八爪怪”以確定最佳尺寸和身體各部件的比例，此外，還會(huì)加裝額外的感知器讓機(jī)器人自主感應(yīng)環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)規(guī)避障礙物。

　　其實(shí)，“八爪怪”的設(shè)計(jì)是有意遵循極簡(jiǎn)主義，只是為了演示完全有能力制作這種新型軟體機(jī)器人。但無論如何，雖然還缺少感知和編程能力，“八爪怪”完全柔性、完全自主的運(yùn)動(dòng)特性已經(jīng)足夠驚艷了。