全球首例完全自主運動的軟體機器人"網(wǎng)紅八爪魚"
描述：哈佛大學(xué)在仿生機器人上又取得突破性成果，發(fā)明了首個全自動的章魚仿生機器人“八爪怪”。這是全球首例完全柔性、完全自主運動、自帶燃料、無需電池的軟體機器人，不包含任何剛性電子元件如電池或計算機芯片等，并且其運動無需連接計算機。具有軟萌的章魚哥外形，又具備翩翩起舞的運動能力，轟動一時，堪稱機器人界的“網(wǎng)紅”。
哈佛大學(xué)在仿生機器人上又取得突破性成果，發(fā)明了首個全自動的章魚仿生機器人“八爪怪”。這是全球首例完全柔性、完全自主運動、自帶燃料、無需電池的軟體機器人，不包含任何剛性電子元件如電池或計算機芯片等，并且其運動無需連接計算機。具有軟萌的章魚哥外形，又具備翩翩起舞的運動能力，轟動一時，堪稱機器人界的“網(wǎng)紅”。
雖然看起來很像小孩子生日聚會上禮品袋里的玩具，但“八爪怪”仿生機器人卻無疑代表了機器人技術(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)用于海洋探測與救援、海水溫度檢測甚至軍事勘測等諸多領(lǐng)域。
為了讓大家更加了解科學(xué)家是如何制造出“八爪怪”軟體機器人，DT君走進(jìn)了哈佛大學(xué)詹尼弗·劉易斯(Jennifer Lewis)實驗室。
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”的中心是一個柔性微流控芯片，作為機器人的“大腦”，控制所有八個觸手的運動。
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)動機器人觸手運動的氣體;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多次才成功實現(xiàn)自主運動的“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。“八爪怪”機器人大約2英寸長。
這張圖是瞎拍著玩兒的，“八爪怪”在黑暗中能發(fā)光
該實驗室的研究生瑞安·特魯比(Ryan Truby)表示：“所有的部分都是自主制作的”。其中，“八爪怪”軟體機器人材料部分的研究正是在該實驗室進(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)實驗室研發(fā)的。制作“八爪怪”的材料就是很多微流控實驗室中常用的材料，但是研究者嘗試了300多次實驗才得到最佳的“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動。
說起機器人，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)實生活中，大多數(shù)“機器人”也確實都由金屬材料組成。然而現(xiàn)在越來越多的科學(xué)家們對柔性非常高的“軟體機器人”產(chǎn)生了興趣。
軟體機器人具有很多優(yōu)點，它們制造工藝簡單，能夠用3D打印完成，材料價格相對低廉，此外由于柔性高，在狹窄的工作環(huán)境中可以發(fā)揮出獨有的優(yōu)勢。
然而，到目前為止，所有的軟體機器人都存在著一個巨大的問題，那就是由于供能和控制部分通常需要外置，以確保機器人的整體柔性。因此機器人在移動時都會拖著長長的管子或者電線，嚴(yán)重地影響了自身活動的“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集成了需要的一切，包括了運動器(actuator)，控制系統(tǒng)和功能系統(tǒng)，因此可以完全“自由”地活動。
邏輯電路與電路板相似，可以自動控制動力
解決這一問題的核心關(guān)鍵在于如何建造一個柔性的能量供給和動力輸出系統(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”。
章魚機器人內(nèi)部反應(yīng)室的整體驅(qū)動單元的上半部分，以及一個觸手內(nèi)的驅(qū)動過程。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，其本體實際上相當(dāng)于一個氣動導(dǎo)管，實質(zhì)上是通過氣壓控制其運動。
為了實現(xiàn)“八爪怪”的自主移動，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)動機(實際上是催化劑，為了達(dá)到更好的催化效果，實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“八爪怪”的觸手運動。
整個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和游動，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”燃料的使用時間大概在4-8分鐘之間，而機器人自主轉(zhuǎn)向的能力則幾乎為零。
章魚機器人內(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，還會加裝額外的感知器讓機器人自主感應(yīng)環(huán)境，以實現(xiàn)自動規(guī)避障礙物。
其實，“八爪怪”的設(shè)計是有意遵循極簡主義，只是為了演示完全有能力制作這種新型軟體機器人。但無論如何，雖然還缺少感知和編程能力，“八爪怪”完全柔性、完全自主的運動特性已經(jīng)足夠驚艷了。
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