軟多功能機器人變得非常小

機器人專家正在設想一個未來，在這個未來中，柔軟的動物機器人可以安全地部署在難以進入的環境中，例如人體內部或對人類來說太危險的空間，其中剛性機器人目前無法用過。已經創建了厘米大小的軟機器人，但到目前為止還無法制造能夠以較小尺寸移動和操作的多功能柔性機器人。

哈佛大學Wyss生物啟發工程研究所，哈佛大學工程與應用科學學院(SEAS)和波士頓大學的研究團隊現已通過開發一種能夠設計軟機器人的集成制造工藝來克服這一挑戰。具有微米級特征的毫米級。為了展示他們的新技術的能力，他們創造了一種機器人軟蜘蛛 - 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，運動和顏色特征。該研究發表在Advanced Materials上。

“最小的軟機器人系統仍然非常簡單，通常只有一個自由度，這意味著它們只能驅動一個特定的形狀或類型的運動變化，”Sheila Russo博士說，該研究的作者。Russo曾在Wyss Institute和SEAS的Robert Wood小組擔任博士后研究員，現在是波士頓大學的助理教授。“通過開發融合了三種不同制造技術的新型混合技術，我們創造了一種僅由硅橡膠制成的軟機器人蜘蛛，具有18個自由度，包括結構，運動和顏色的變化，以及微米范圍內的微小特征。 ”

伍德博士是Wyss研究所Bioinspired Soft Robotics平臺的核心教員和共同領導者，以及SEAS的Charles River工程和應用科學教授。“在軟機器人設備領域，這種新的制造方法可以為在這種小規模上實現類似水平的復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物的結構 - 功能關系，比剛性機器人更好，“他說。

在他們用于可重構氣動/液壓(MORPH)設備的Microfluidic Origami中，該團隊首先使用軟光刻技術生成12層彈性硅膠，這些硅膠共同構成了軟蜘蛛的材料基礎。使用激光微加工技術從模具中精確切割每一層，然后粘合到下面的一層以創建軟蜘蛛的粗糙3D結構。

將這種中間結構轉化為最終設計的關鍵是預先設想的中空微流體通道網絡，其整合到各個層中。使用稱為注射誘導自折疊的第三種技術，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。這引起單獨的層，并且還有它們的相鄰層，以局部彎曲成它們的最終構型，當樹脂硬化時，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，通道起著致動器的作用，引起永久性的結構變化，“第一作者和相應的作者Tommaso Ranzani博士說，他是Wood集團的博士后研究員，現在也是波士頓大學的助理教授。 。

剩下的一組集成微流體通道被用作額外的致動器，以使眼睛著色并通過流動有色流體模擬孔雀蜘蛛物種的腹部顏色圖案; 并引起腿部結構中的行走式運動。“第一個MORPH系統是在一個單一的整體工藝中制造的，可以在幾天內完成，并且可以在設計優化工作中輕松迭代，”Ranzani說。

“MORPH方法可以為那些更專注于醫療應用的研究人員開辟軟機器人領域，這些機器人的小尺寸和靈活性可以為內窺鏡和顯微外科提供全新的方法，”Wyss Institute創始總監Donald Ingber說。醫學博士，博士，也是 HMS 血管生物學的 Judah Folkman教授和波士頓兒童醫院的血管生物學項目，以及SEAS的生物工程教授。

該研究的其他作者是Wood團隊的研究生Nicholas Bartlett和Wood的前博士后研究員Michael Wehner，他是加州大學圣克魯茲分校的助理教授。該研究由哈佛大學的Wyss研究所，國防高級研究計劃局(DARPA)和國防科學與工程研究生獎學金資助。