來(lái)源 | 機(jī)器人大講堂

原創(chuàng) |?風(fēng)雨撫蕖

編輯 |?佳麗、海蛟

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導(dǎo)讀

小時(shí)候讀葉圣陶老先生的《爬山虎的腳》，不自然的就會(huì)被自然界的鬼斧神工所吸引。柔弱的藤本植物本身沒(méi)有腳，卻靠著在莖上伸出的六七根細(xì)絲，以及細(xì)絲前面類(lèi)似蝸牛的觸角，硬生生達(dá)到了攀爬墻壁的效果。而這類(lèi)觸須，不僅吸引了國(guó)內(nèi)的大文學(xué)家，同樣也吸引了國(guó)外的機(jī)器人科學(xué)家們。最近來(lái)自意大利技術(shù)研究院（IIT）的研究人員為我們帶來(lái)了全新的軟體機(jī)器人驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并成功的刊登在了頂級(jí)期刊《Nature》上。這個(gè)方案在原理上與藤本植物的觸須運(yùn)動(dòng)（并不完全類(lèi)似爬山虎的腳）幾乎完全相同。

在最新的Nature Communications電子雜志上，來(lái)自意大利技術(shù)研究院的研究人員發(fā)表了一篇題為《基于可逆滲透致動(dòng)的可變剛度卷須狀軟機(jī)器人》的論文，向我們展示了世界上第一個(gè)模仿植物卷須的軟機(jī)器人，為軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)研發(fā)帶來(lái)了全新的思路。

論文傳送門(mén)：

https://www.nature.com/articles/s41467-018-08173-y

這款軟體機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)靈感完全來(lái)自于植物中的水運(yùn)輸。也完全模仿了植物水分運(yùn)輸?shù)脑?#xff0c;目前已經(jīng)能夠像植物一樣進(jìn)行簡(jiǎn)單的卷曲和攀爬。

眾所周知，自然界的植物在一定程度上會(huì)發(fā)生肉眼可見(jiàn)的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)不僅是因?yàn)橹参锏纳L(zhǎng)而發(fā)生，其中很大程度是依賴(lài)于植物中的滲透壓調(diào)節(jié)機(jī)制來(lái)控制，這正是植物運(yùn)動(dòng)和水運(yùn)輸?shù)闹匾獧C(jī)制。

簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，滲透壓指的是溶液中溶質(zhì)微粒對(duì)水的吸引力，其大小取決于單位體積溶液中溶質(zhì)微粒的數(shù)目，數(shù)目越多滲透壓越大，對(duì)水的吸引力也就越大。
對(duì)于植物而言，植物細(xì)胞的細(xì)胞膜可以通過(guò)控制細(xì)胞內(nèi)液和細(xì)胞外液的離子（也就是微粒）濃度進(jìn)而控制細(xì)胞的形態(tài)，例如，如果細(xì)胞內(nèi)液濃度高于外液，細(xì)胞就會(huì)不斷的吸收外部的水分，這樣細(xì)胞就會(huì)越變?cè)酱?#xff0c;這樣細(xì)胞的形態(tài)就發(fā)生了改變，通過(guò)眾多的細(xì)胞合力，最終在肉眼上呈現(xiàn)出來(lái)的就是植物的運(yùn)動(dòng)。

但是，看似簡(jiǎn)單的細(xì)胞膜是極其復(fù)雜的膜系統(tǒng)

所以，IIT采取了另一個(gè)方案，用半透膜來(lái)代替細(xì)胞膜，雖然半透膜無(wú)法控制離子的進(jìn)出，但是卻可以保證在水分透過(guò)時(shí)部分離子不透過(guò)。這時(shí)研究人員通過(guò)在膜的一側(cè)安置電極，通電時(shí)就能吸附溶液中的離子，這樣電極一側(cè)的溶液濃度就會(huì)下降，另一側(cè)濃度不變，膜兩側(cè)由此產(chǎn)生的滲透壓就會(huì)使得水流入電極一側(cè)，使得兩側(cè)的體積發(fā)生變化。

這其中電吸附作用是可逆調(diào)節(jié)滲透物濃度的關(guān)鍵機(jī)制，為此研究人員選擇了高比表面積活性炭布電極（ACCE）。這是因?yàn)樗兄^好的分層結(jié)構(gòu)，結(jié)合多孔碳提供的大比表面積，可以產(chǎn)生較大的總電容，進(jìn)而在通電時(shí)容納大量的離子，這樣產(chǎn)生的滲透壓可以帶來(lái)足夠明顯的形變。斷電時(shí)，測(cè)試表明，吸附的離子有90%能都回到溶液中，這樣就使得軟體機(jī)器人能夠在斷電后盡可能恢復(fù)原樣。

除此之外，研究人員還需要進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，計(jì)算由上述液壓原理驅(qū)動(dòng)的軟機(jī)器人應(yīng)該有多大的“力”，以避免太慢的運(yùn)動(dòng)。

然后，研究人員選用了柔性的PET管制成了軟體機(jī)器人，其中包含帶電粒子（離子）的液體。通過(guò)使用1.3伏電池，這些帶電粒子被吸引并固定在卷須底部的柔性電極表面上。

當(dāng)要恢復(fù)原樣時(shí)，就可以將電池?cái)嚅_(kāi)。通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)，與植物一樣，研究人員最終實(shí)現(xiàn)了軟體機(jī)器人的有效驅(qū)動(dòng)，使得軟體機(jī)器人像植物一樣運(yùn)動(dòng)。

雖然這個(gè)機(jī)器人目前只能進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)，似乎沒(méi)有什么用處，但是這項(xiàng)技術(shù)凸顯了對(duì)植物進(jìn)行仿生的巨大技術(shù)潛力，突出了植物仿生在開(kāi)發(fā)生物相容性材料和電安全的軟機(jī)器人方面的潛力。

在接下來(lái)的研究里，研究人員希望為卷須軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)一個(gè)管理系統(tǒng)，使得機(jī)器人能夠適應(yīng)周?chē)h(huán)境，識(shí)別它所附著的表面，或它所錨定的支撐物，最后實(shí)現(xiàn)像真正的攀緣植物一樣的“生長(zhǎng)”。

https://v.qq.com/x/page/q084127szom.html

—— 完 ——

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的《Nature》子刊发布，IIT科学家模仿“植物的触须”，打造可逆渗透致动的仿生软体机器人的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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