馬里蘭大學頂刊研究：帶有集成流體電路的完全3D打印的軟體機器人

導讀：2021年7月18日,，南極熊獲悉,，馬里蘭大學的工程師們利用3D打印技術開發(fā)了一個能夠播放任天堂娛樂系統(tǒng)（NES）的軟體機器人手臂,，并且還運用它打通關了《超級馬里奧兄弟》,，不可思議吧,！此外,，這項研究還被發(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技術打印的三指軟體機器人具有完全集成的流體電路,，這意味著它的運動是由氣壓而非電力驅(qū)動。雖然研究人員完全可以選擇一種標準的演示來評估這只手的性能,，如彈鋼琴曲,，但他們認為視頻游戲的精確性和目標導向性也不失為一個更好的實驗對象。

這項研究的合著者Ryan Sochol寫道："在鋼琴上,，我們可以任意設置節(jié)奏,，任何像錯過一個音符的錯誤都不會有意義的懲罰。相比之下,，視頻游戲的時間和關卡構成早已確定,，而且是一成不變的，只要有一個錯誤就能立即導致游戲結(jié)束,，所以實時玩《超級馬里奧兄弟》這樣的游戲為評估軟體機器人的性能提供了一種獨特的挑戰(zhàn)和絕佳的手段,。"令人難以置信的是,，3D打印的機器人竟然真的打過了《超級馬里奧兄弟》的第一關。

△3D打印的軟體機器人手,。照片來自馬里蘭大學

什么是軟體機器人,？

顧名思義，軟體機器人是一類特殊的機器人,，其特點是可塑和可變形,。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)療和制造領域得到應用,。

由于它們能夠圍繞復雜的結(jié)構進行塑形和擴展,，軟體機器人可以被植入人體而幾乎沒有組織損傷的風險。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用的重要領域,。此外，它們還在大批量的生產(chǎn)設施中發(fā)現(xiàn)了自己的用途,，在那里,，公司正越來越多地在生產(chǎn)線上采用軟機器人抓手。

圖1 用于PolyJet 3D打印統(tǒng)一的軟體機器人系統(tǒng)的設計和增材制造策略,，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)構外殼的類似電子電路符號,。(B) 具有完全集成的流體振蕩器電路的統(tǒng)一軟機器人的CAD模型和相應的模擬電路圖。(C) 使用順應性（黑色）,、剛性（白色）和水溶性支持（黃色）材料的多材料PolyJet3D打印軟機器人的概念圖,。(D) PolyJet 3D打印過程的連續(xù)時間推移圖像。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,，馬里蘭大學學院公園分校,。

Sochol對媒體解釋說："這些特殊類型的機器人使用水或空氣等流體作為動力，軟體機器人可以相對容易地伸展或充氣或放氣,。因此,，它們具有固有的適應性，可以圍繞復雜的,、有時是脆弱的物體進行改造,。"

軟體機器人的實驗在3D打印領域也是比比皆是,。今年早些時候，哈佛大學的研究人員3D打印了一群軟體機器人魚,，能夠在沒有Wi-Fi或GPS的幫助下以復雜的模式游泳,。該團隊的" Bluebots"的靈感來自于獨特的珊瑚礁居住的外科魚，它有四個鰭用于精確導航,，還有一個LED和攝像頭系統(tǒng),，使它們能夠成群結(jié)隊而不發(fā)生碰撞。

在其他地方,，中國天津大學的科學家們之前已經(jīng)3D打印了一個可定制的機器人,，能夠?qū)崟r縮放和監(jiān)測工業(yè)設施的管道。這個單件設備具有一系列軟彎曲機制和模塊化抓手,，使其能夠靈活地攀爬形狀怪異的基礎設施,。

△Sochol的研究團隊使用3D打印的機器人手玩“超級馬里奧兄弟”。照片來自馬里蘭大學

3D打印集成流體電路

那么是什么讓Sochol的3D打印機器人設計如此獨特,？馬里蘭大學的研究人員整合了他們所謂的"流體電路"——一種能夠控制機器人手指的管道,。3D打印的軟體機器人沒有像傳統(tǒng)的電子微芯片那樣使用半導體晶體管來發(fā)出開關信號，而是利用每個手指中的壓力傳感器,。然后,，手指的驅(qū)動由流經(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。

Sochol補充說："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,，當沒有壓力時，沒有手指被激活,。當有低氣壓時,，只有第一個手指被激活。在中等壓力下,，中指被激活,，在高壓下，最后一個手指被激活,。通過編程使不同的氣壓組合通過手掌,，該團隊能夠在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旗桿,�,！�

為了推動軟體機器人的發(fā)展和提高可及性，Sochol和他的團隊非常友好地將機器人的設計文件開源到GitHub上,。有關這項研究的更多細節(jié)可以在題為《Fully 3D-printedsoft robots with integrated fluidic circuitry》的論文中找到,。

相關論文鏈接：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257