不用修理的機器人

劉娉婷

人類為了解放生產(chǎn)力，研發(fā)出機器人，替我們完成很多工作。但普通機器人很容易因為尖銳物體的碰撞或者遭受外界壓力而損壞，不僅修理的費用昂貴，過程也非常復(fù)雜，有時只能廢棄處理。它們不像人類，傷口能夠隨著時間自然愈合。那么，是否有辦法能夠讓機器人自我“修理”呢？

這可能會讓你聯(lián)想到電影《X戰(zhàn)警》中的金剛狼，或者《終結(jié)者》中的機械人，他們都擁有自我修復(fù)的能力。今年，布魯塞爾自由大學(xué)的研究團(tuán)隊通過3年的研發(fā)，利用橡膠聚合物制造出一種軟性機器人，就能夠?qū)崿F(xiàn)自我修復(fù)，并且不會留下任何疤痕—你需要做的，只是在它們的受損部位，稍微加熱一下。

軟性機器人并不是一個新鮮的話題。2012年，美國能源部就研發(fā)出了由半透明狀的硅質(zhì)聚合物形成的爬行機器人，它能夠?qū)⑸眢w伸展成“X”狀爬行前進(jìn)。2016年，瑞士的洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研發(fā)出一款用軟性材質(zhì)設(shè)計的機器人手指，能夠抓取任何狀態(tài)的物體，甚至是一顆已經(jīng)破損的雞蛋。

“受到生物體質(zhì)的啟發(fā)，軟性機器人可以適合于各種不確定的、動態(tài)的任務(wù)環(huán)境中，甚至可能發(fā)生人機交互?！痹擁椖康呢?fù)責(zé)人Bram Vanderborght介紹。

比如在挑選水果、蔬菜等易損品時，軟性機器人就是理想的助手。在工廠流水線作業(yè)中，軟性機器人能夠與人類合作，避免發(fā)生事故。它們也能用作醫(yī)療輔助工具，應(yīng)用到微創(chuàng)手術(shù)中，去抓取精細(xì)的物品，甚至在康復(fù)和假肢修復(fù)中，都能夠發(fā)揮作用。

但柔軟的另一面，意味著它們很容易受到硬物的傷害。比如被刀割傷、被剪斷，或者被尖銳的物體刺穿，有時候承載的壓力過大也是傷害的來源。

而Bram Vanderborght團(tuán)隊的研究，就是為了找到能夠用較低成本實現(xiàn)“自愈”的材料，再將這種材料制作成零件，安裝到機器人身上。由于自愈的過程需要加熱，因此整個反應(yīng)被稱為SH（Self-Heating）反應(yīng)。

這種能“自愈”的聚合物橡膠材料首先要能滿足狄爾斯-阿爾德有機反應(yīng)（Diels-Alderreaction，簡稱DA反應(yīng)），這也是現(xiàn)代有機合成實驗中的常用反應(yīng)。通俗地說，就是材料中的聚合物能夠通過反應(yīng)形成環(huán)狀鍵，且這種反應(yīng)相當(dāng)靈活，在一定情況下，環(huán)狀鍵也會分解，發(fā)生逆反應(yīng)。

團(tuán)隊用合成方式研發(fā)出一種果凍狀的橡膠聚合物，聚合物內(nèi)有許多通過DA反應(yīng)形成的鏈條，它們纏結(jié)在一起形成新材料。由于基本的環(huán)狀鍵是通過反應(yīng)形成的，因此也是整個網(wǎng)絡(luò)中最脆弱的部分，當(dāng)高分子聚合物受到外力時，這些鍵極易遭到破壞并斷裂。

想讓這些環(huán)狀鍵重新纏結(jié)在一起，需要通過加熱來激活，就像安裝了一個觸發(fā)機制。通過增加溫度，非自動發(fā)生SH反應(yīng)的聚合物可以轉(zhuǎn)換成自動發(fā)生SH反應(yīng)的聚合物，高分子的流動鏈條逐漸增加，此時反應(yīng)會進(jìn)入到一個新的平衡，即等溫階段，直到聚合物有足夠的流動性和時間來形成密封。團(tuán)隊通過研究證實，當(dāng)加熱到80攝氏度，并持續(xù)加熱40分鐘，這種聚合物的受損程度會不斷減輕。

接下來是控制冷卻和常溫恢復(fù)，目的是為了恢復(fù)材料的靈活性和強度。停止加熱后，伴隨著長時間的冷卻，聚合物網(wǎng)絡(luò)中的交叉鏈接會逐漸重新形成，找回材料初始狀態(tài)的穩(wěn)固性能，最終，讓材料處于自然環(huán)境中—25攝氏度是最適宜的溫度。雖然冷卻過程的耗時較長，大約需要22個小時，但完成之后完全找不到受損痕跡。

為了測試這種材料在機器人領(lǐng)域的應(yīng)用，團(tuán)隊先制造出了3個機器人身上的部件：一只用于撿拾物品的鉗子、一只機器人手爪，以及人造肌肉，通過氣動執(zhí)行器（用氣壓力驅(qū)動啟閉或調(diào)節(jié)閥門的執(zhí)行裝置）來控制它們的操作。這些部件可以安裝在普通機器人身上，通過單獨控制，完成抓取物體的動作。

同時，他們還制造了驗證實驗專用的測試臺，包括壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)、壓力傳感器等裝置。這樣可以測出外力引起的材料的變形程度和材料準(zhǔn)確的受力范圍，調(diào)節(jié)零件的尺寸。

“機器人是整合這種聚合物的最佳選擇，因為它們包含觸發(fā)系統(tǒng)所需要的電源和控制選項?！盉ram Vanderborght說。

機器人的部件由多個聚合物材料構(gòu)成的小長方體組成。這些長方體的側(cè)面沒有密封，團(tuán)隊目前制造出的零部件都是按照9個長方體排列好，形成一個長條狀，放入烘箱中，再對側(cè)面整體封閉凝固塑形。

和普通機器人的零件能回收利用一樣，這種軟性材料也能回收再投入循環(huán)使用。具體來說，只需要將材料切成片狀，放入三氯甲烷中。三氯甲烷可以降低DA反應(yīng)聚合物的濃度，逐漸將平衡轉(zhuǎn)移到未鏈接的狀態(tài)。

如果想要加速溶解，可以把三氯甲烷加溫到65攝氏度，所得的溶液可以再次澆鑄形成一片材料，和加熱自愈的過程一樣，片狀的材料會粘結(jié)成完整的形狀。但與最初始的狀態(tài)相比，性能有所下降，比如收縮的張力只有之前的81%。如果用更高純度的溶劑，則可以減少副反應(yīng)的發(fā)生，再次提高效率。

在軟性機器人的設(shè)計合成階段，也能夠嘗試將不同機械性能的聚合物熔合在一起形成一個單一的零件，通過加熱加強相互之間的鏈接。也就是說，這項研究極大提高了設(shè)計的自由度，可適應(yīng)不同機器人應(yīng)用所需要的各種性能。

麻省理工學(xué)院的電器工程專家Russell Tedrake曾表示，一直以來，沒有自行愈合的能力是機械系統(tǒng)與生物系統(tǒng)相比的不足之一，自我修復(fù)能夠讓整個機械系統(tǒng)的成本更低、更安全。

目前，布魯塞爾自由大學(xué)的研究團(tuán)隊正嘗試為機器人增加一個能檢測自身健康狀況的傳感器網(wǎng)絡(luò)，讓機器人的自愈真正地自動實現(xiàn)，比如通過改變材料或者研發(fā)出自己供熱的機器人的方式。

到那時，機器人會變得更輕巧、更安全，它們能夠獨立工作更長時間，現(xiàn)場可能也不再需要維修人員隨時待命了。