软体材料应用现状

近日，瑞士联邦理工学院（EPFL）的研究人员介绍了一种由明胶制成的可食用软体机器人原型，它允许机器人在被吞咽后，进行一些可控的操作。整体的控制方式就类似于气动驱动，这样的结构能让它在充气时弯曲，当气压降低时再次伸直。这种形态的软体机器人并不是首次出现，之前就有超市将其用于抓取水果。而新的机器人用明胶取代了塑料，这种可食用的版本能够被生物降解。

这些可食用软体机器人的零件可以与营养物质和药物成分混合，然后被生物消化和代谢。它的潜在应用是用于医疗研究，可食用的一次性机器人更加安全，这些属性可以让它们完成一些有意思的工作。比如在进行救援时，机器人可以在特殊环境下找到幸存者，提供营养补给和药物治疗，这种安全、可食用的特性同样可以帮助保护野生动物，当机器人被消化时，能够作为能量储存在生物体内。

橡胶是软体机器人发展历程中使用最早且运用最广的材料。橡胶的化学成分和物质构造，令其具有了优于其他同类型材料的特点：吸附能力强、热稳定性好、化学性质稳定等。比如美国哥伦比亚大学的工程师研发了一种3D打印的合成软体肌肉，抛弃之前模型所使用的外部压缩器或者高压设备，它能够推、拉、弯曲和扭曲，而且能够举起自身千倍重的物体。简单来说就是，研究者使用了微泡中遍布乙醇的硅橡胶材料，其将弹性特性和极端体积变化属性组合在一起，而且具有易制造、低成本和对环境无污染的好处。

形状记忆合金是一种新型的功能性材料，加热后能够恢复原始形状，消除在低温状态下所发生的变形，具有形状记忆、超弹性和可变刚度等特性。目前，其已成为结构振动控制研究中一种优越的传感和驱动材料，在软体机器人成型及驱动中发挥着重要作用。迄今为止，业界已发现了十几种形状记忆合金材料，其中在工业上有实用价值的有Ni-Ti合金、Cu 基合金、Fe类合金等。该类材料也是4D打印最关键的材料技术之一。

IPMC，ion-exchangepolymer metal composite(离子交换聚合金属材料)，是一种电致变形的智能材料（离子型），具有驱动电压低（<3V）、响应速度快（在水中>10Hz）、低功耗、密度小、柔韧性好等优点。而采用IPMC材料制作水下软体机器人的推进器具有扰动小、无污染、无噪音、无需润滑等特点，是许多传统刚性机械装置所不具备的。

凝胶拥有独特的基于化学键或物理作用交联形成的三维网状结构。响应水凝胶在外界环境变化时通常展现出独特的响应性溶胀行为，如一些水凝胶能因外界pH值、温度、光电信号、特殊化学分子等微小变化，而产生相应结构的变化，常用作智能驱动材料应用于软体机器人外形塑造与驱动等领域。今年4月5日，浙江大学实验室里的一条“鱼”出现在著名大众科学杂志《新科学家》上：全身柔软无骨，能以每秒6厘米的速度不动声色地畅游3小时，是国际上已知报道中游得最快的软体机器鱼。据悉，这条鱼有一层薄薄的“电子肌肉”，由三层材料紧密地粘合在一起：上下两层是透明的介电高弹体薄膜，中间是导电用的碳膏或水凝胶。当天，浙大航空航天学院李铁风、黄志龙课题组的论文“Fast-movingsoft electronic fish”在《ScienceAdvances》杂志上线。

现有的软体材料如SMA、水凝胶、IPMC等已经趋近成熟，并推动软体机器人的发展，但这些材料在应力、应变、寿命、价格等方面仍然存在缺陷，不能满足软体机器人高速发展的现状。软体机器人通过仿生学实现其适应性、弹性与流变特性，可考虑将其与生物材料直接联系，通过合成材料与生物材料联合、材料科学与生物工程科学有机结合，开发出更具生物相容性和生命性的新型软体材料。可以预见，由天然肌肉组织和软体电子材料等组成的合成细胞将代替现有的软体材料进一步推动软体机器人的发展。

基于智能材料的四足可换向爬行软体机器人，为解决传统刚体机器人存在的机械结构复杂、由度较小、环境适应性差、控制方式复杂、质量重、成本高的问题。本发明包括上换向体、下换向体、轴筒和封头，上换向体包括上圆盘、两个上换向体爬行脚、两个向下凸块和两个上形状记忆弹簧，下换向体包括下圆盘、两个下换向体爬行脚、两个向上凸块和两个下形状记忆弹簧，上换向体与下换向体上、下设置，且上换向体上的向下凸块和下换向体上的向上凸块均朝向里面，第一直线与第三直线之间的锐角为45°，轴筒的下端穿过上圆孔和下圆孔，封头设置在下圆盘的下面并与轴筒固定连接。

部分资料来源： 材料科技前沿

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