智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 | 王健恩
編輯 | 高歌
智東西7月20日消息，美國馬里蘭大學的一組研究人員利用3D打印技術，實現了單次打印出具有集成流體回路的軟體機械手。這只機械手足夠柔軟靈活，甚至可以用來玩超級馬里奧兄弟游戲，而且還打贏了。
軟體機器人不需要金屬來制作，其內部也沒有任何電子裝置，而是由一些較為柔軟的材料制成本體，并由水或空氣提供動力。軟體機器人具有極強的適應能力和較高的安全性，所以人們希望能夠將它用于假肢或生物醫學領域。但是，控制并使用軟體機器人一直是一件較為困難的事，而馬里蘭大學的這項研究將改變這一現狀。
這項研究于7月14日登上了Science Advances雜志的封面，論文題目為Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry。
▲Science Advances雜志封面
論文鏈接：//advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257
一、會玩超級馬里奧的機械手讓科研更有趣
軟體機器人與傳統機器人不同，它不需要金屬等材料，而是利用較為柔軟的材料制作本體。它的身體內也不包含任何電子裝置，而是利用水或空氣等驅動。軟體機器人的特性讓它能夠適應各種非常規環境，并且與人類的交互也更安全。不過與傳統機器人相比，軟體機器人也更加難以控制。
“以前，軟體機械手的每個手指通常都需要自己的控制線，這會限制它的便攜性和實用性。但是我們通過3D打印制作出來集成流體晶體管的機械手克服了這一點，它甚至可以根據輸入的壓力值來玩游戲。” 論文的共同第一作者Joshua Hubbard說。
▲正在玩超級馬里奧兄弟的機械手
該團隊設計了一個集成的流體回路，可以讓機械手的手指根據單個控制壓力的強度進行操作。比如，施加較低的壓力可以讓食指按壓游戲手柄控制馬里奧行走，施加較高的壓力可以控制馬里奧跳躍等。在設定程序的引導下，流體回路在關閉、低壓、中壓、高壓之間切換，機械手便能夠在控制下按下游戲手柄上的按鈕，在90秒內完成超級馬里奧兄弟的第一關。
由于游戲的各項關卡有較明確的時間點，且只要出現錯誤就會導致游戲結束，因此玩超級馬里奧兄弟成了評估軟體機器人性能的新方法。這項獨特的挑戰方式讓這項科學研究充滿了樂趣。
▲軟體機械手程序的設定
二、3D打印讓軟體機器人的制作變得更簡單
在過去的研究中，有些研究者試圖利用流體回路來增強軟體機器人的自主性，但是構建這些流體回路并將其與機器人集成可能需要數天到數周的時間，并且對于技術水平、制作工藝等多方面都有較高的要求。
為了克服這些障礙，馬里蘭大學的研究團隊采取了一種新策略，轉向使用多材料“PolyJet 3D打印”技術，在單次打印中增材制造具有完全集成流體回路的統一軟體機器人系統。
在制造開始前，研究團隊利用CAD軟件設計和組裝模塊化組件，如流體回路元件、互聯件、接入端口、軟體機器人執行器及結構構件等，以生成具有完全集成流體回路的軟體機器人3D模型。
PolyJet打印是一種材料噴射的過程，在這個過程里多種光反應性材料和犧牲性支撐材料被并行分配，以逐行、逐層的方式生產出3D對象。利用這種方式，研究團隊只需在一天時間內進行很少的工作就可以得到一個隨時可用的完整的軟體機器人。
▲利用3D打印制作軟體機器人烏龜過程示意圖
三、為研究軟體機器人，研究團隊造了兩只烏龜一只手
研究團隊針對傳統電信號的流體模擬，設計制作了三個具有不同集成流體回路的軟體機器人。
一個是在恒流輸入（類似于直流電信號）條件下運動的軟體機器人烏龜，在這種條件下，烏龜的鰭肢實現了連續的周期性的運動。另一個是在正弦輸入（類似于交流電信號）條件下運動的軟體機器人烏龜，這種條件下，烏龜的鰭肢實現了類似于游泳一樣的運動。
▲軟體機器人烏龜的鰭肢在進行周期性運動
第三個是在預編程的非周期性輸入（類似于可變電流）條件下運動的軟體機械手。該機械手的手指由仿生材料制成，利用兩種材料的剛度差異模擬人類手指的彎曲行為。手指的非彎曲部分及其內部使用由剛性材料打印的流體通道，而手指的關節部分使用的是由柔順材料打印的非對稱的波紋軟管。當關節充氣膨脹時，較大的頂部膨脹會導致指尖向下運動施力。
研究團隊正是利用這個工作原理，當機械手工作時，連接至對應手指的輸入源根據預先編訂的程序來驅動手指產生不同力度的運動，從而實現操控游戲手柄通過超級馬里奧兄弟游戲的第一關。
不過研究者也發現，與給電子電容器充電或放電的過程類似，軟關節組件在執行充氣和放氣過程時也會出現時間上的延遲，因此在設計程序時需將這個因素考慮在內。
▲軟體機械手工作原理及工作過程示意圖
四、為了讓機械手更有用，研究團隊將項目開源
該團隊已將這一項目開源，任何人都可以閱讀這篇論文。這項工作中的所有電子設計文件都被該團隊上傳至開源社區GitHub，鏈接被作為補充材料放進了論文。
“我們免費共享我們所有的設計文件，任何人都可以輕松下載，并按需修改或打印我們工作中的所有軟體機器人和流體回路元件。我們希望這種開源策略能讓這種具有集成流體回路的軟體機器人具有更高的可訪問性、易傳播性、可重復性和更廣的采用范圍，從而加速該領域的進步。” 馬里蘭大學機械工程助理教授Ryan D. Sochol說。
目前，該團隊正在探索將他們的技術用于生物醫學應用，包括康復設備、手術工具、可定制假肢等。
結語：控制難題被解決，軟體機器人落地應用將加快
軟體機器人的概念已經出現十多年，然而如何有效的控制軟體機器人的運動仍是一項較大的難題。馬里蘭大學的這項研究證明了通過流體回路能夠有效控制軟體機器人的運動，并且通過3D打印大大降低了集成流體回路的軟體機器人的制作門檻。
得益于其自身的特性，軟體機器人在醫療健康、搶險救災、工業制造等領域有著較為廣泛的應用前景。馬里蘭大學的研究團隊將其研究成果開源，將有利于軟體機器人研究的進一步發展，進而促進軟體機器人在各個領域的落地與應用。
來源：Science Advances、Tech Xplore
