機(jī)器人專家正在設(shè)想一個(gè)未來，在這個(gè)未來中，柔軟的動(dòng)物機(jī)器人可以安全地部署在難以進(jìn)入的環(huán)境中，例如人體內(nèi)部或?qū)θ祟悂碚f太危險(xiǎn)的空間，其中剛性機(jī)器人目前無法用過。已經(jīng)創(chuàng)建了厘米大小的軟機(jī)器人，但到目前為止還無法制造能夠以較小尺寸移動(dòng)和操作的多功能柔性機(jī)器人。

哈佛大學(xué)Wyss生物啟發(fā)工程研究所，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院(SEAS)和波士頓大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)現(xiàn)已通過開發(fā)一種能夠設(shè)計(jì)軟機(jī)器人的集成制造工藝來克服這一挑戰(zhàn)。具有微米級(jí)特征的毫米級(jí)。為了展示他們的新技術(shù)的能力，他們創(chuàng)造了一種機(jī)器人軟蜘蛛 - 靈感來自毫米大小的彩色澳大利亞孔雀蜘蛛 - 來自單一的彈性材料，具有塑身，運(yùn)動(dòng)和顏色特征。該研究發(fā)表在Advanced Materials上。

“最小的軟機(jī)器人系統(tǒng)仍然非常簡(jiǎn)單，通常只有一個(gè)自由度，這意味著它們只能驅(qū)動(dòng)一個(gè)特定的形狀或類型的運(yùn)動(dòng)變化，”Sheila Russo博士說，該研究的作者。Russo曾在Wyss Institute和SEAS的Robert Wood小組擔(dān)任博士后研究員，現(xiàn)在是波士頓大學(xué)的助理教授。“通過開發(fā)融合了三種不同制造技術(shù)的新型混合技術(shù)，我們創(chuàng)造了一種僅由硅橡膠制成的軟機(jī)器人蜘蛛，具有18個(gè)自由度，包括結(jié)構(gòu)，運(yùn)動(dòng)和顏色的變化，以及微米范圍內(nèi)的微小特征。 ”

伍德博士是Wyss研究所Bioinspired Soft Robotics平臺(tái)的核心教員和共同領(lǐng)導(dǎo)者，以及SEAS的Charles River工程和應(yīng)用科學(xué)教授。“在軟機(jī)器人設(shè)備領(lǐng)域，這種新的制造方法可以為在這種小規(guī)模上實(shí)現(xiàn)類似水平的復(fù)雜性和功能鋪平道路。在未來，它還可以幫助我們模擬和理解小動(dòng)物的結(jié)構(gòu) - 功能關(guān)系，比剛性機(jī)器人更好，“他說。

在他們用于可重構(gòu)氣動(dòng)/液壓(MORPH)設(shè)備的Microfluidic Origami中，該團(tuán)隊(duì)首先使用軟光刻技術(shù)生成12層彈性硅膠，這些硅膠共同構(gòu)成了軟蜘蛛的材料基礎(chǔ)。使用激光微加工技術(shù)從模具中精確切割每一層，然后粘合到下面的一層以創(chuàng)建軟蜘蛛的粗糙3D結(jié)構(gòu)。

將這種中間結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為最終設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是預(yù)先設(shè)想的中空微流體通道網(wǎng)絡(luò)，其整合到各個(gè)層中。使用稱為注射誘導(dǎo)自折疊的第三種技術(shù)，加壓一組這些集成的微流體通道，其具有來自外部的可固化樹脂。這引起單獨(dú)的層，并且還有它們的相鄰層，以局部彎曲成它們的最終構(gòu)型，當(dāng)樹脂硬化時(shí)，其固定在空間中。這樣，例如，軟蜘蛛的腹部腫脹和向下彎曲的腿成為永久性的特征。

“我們可以通過改變不同層上與通道相鄰的硅樹脂材料的厚度和相對(duì)一致性，或者通過在距離通道不同距離處的激光切割來精確控制這種類似折紙的折疊過程。在加壓過程中，通道起著致動(dòng)器的作用，引起永久性的結(jié)構(gòu)變化，“第一作者和相應(yīng)的作者Tommaso Ranzani博士說，他是Wood集團(tuán)的博士后研究員，現(xiàn)在也是波士頓大學(xué)的助理教授。 。

剩下的一組集成微流體通道被用作額外的致動(dòng)器，以使眼睛著色并通過流動(dòng)有色流體模擬孔雀蜘蛛物種的腹部顏色圖案; 并引起腿部結(jié)構(gòu)中的行走式運(yùn)動(dòng)。“第一個(gè)MORPH系統(tǒng)是在一個(gè)單一的整體工藝中制造的，可以在幾天內(nèi)完成，并且可以在設(shè)計(jì)優(yōu)化工作中輕松迭代，”Ranzani說。

“MORPH方法可以為那些更專注于醫(yī)療應(yīng)用的研究人員開辟軟機(jī)器人領(lǐng)域，這些機(jī)器人的小尺寸和靈活性可以為內(nèi)窺鏡和顯微外科提供全新的方法，”Wyss Institute創(chuàng)始總監(jiān)Donald Ingber說。醫(yī)學(xué)博士，博士，也是 HMS 血管生物學(xué)的 Judah Folkman教授和波士頓兒童醫(yī)院的血管生物學(xué)項(xiàng)目，以及SEAS的生物工程教授。

該研究的其他作者是Wood團(tuán)隊(duì)的研究生Nicholas Bartlett和Wood的前博士后研究員Michael Wehner，他是加州大學(xué)圣克魯茲分校的助理教授。該研究由哈佛大學(xué)的Wyss研究所，國防高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)和國防科學(xué)與工程研究生獎(jiǎng)學(xué)金資助。