軟質水凝膠偽裝機器人

©Yuk等人，2017

現今的機器人並不只是朝著人型方向發展，它們還會模仿海洋生物的樣子。受到柳葉鰻（鰻魚的透明幼體）的啟發，MIT工程師們研發出了多種能夠完成多項任務：比如游泳、踢橡膠球、捕捉和釋放水中的活魚等的軟質偽裝機器人。這些機器人是由什麼構成的呢？它們完全是由透明的水凝膠材料（一種水聚合材料，主要成分是水）製成。

由MIT機械工程副教授Xuanhe Zhao和研究生Hyunwoo Yuk領導的研究團隊一直致力於開發持久耐用、具靈活度、同時又能完成強大任務的水凝膠配方。該團隊已經製造出數款不同種類、不同功能的水凝膠機器人：能夠上下捲曲的附肢；可以來回擺動的鰭狀模型；能夠有效捕捉、釋放的手狀抓取器（圖2、圖3和圖4）。

這些機器人透過液壓水凝膠致動器而實現，而不是現有的滲透驅動型水凝膠致動器。由於反應時間和水凝膠致動力之間的固有耦合關係，後者受限於低致動力（毫牛頓）和低致動速度（反應時間為幾分鐘至幾小時）。而憑藉著設計精確的結構，液壓驅動型水凝膠讓機器人擁有更大的致動力（超過一牛頓）和致動速度。這些機器人還能夠在水中進行光線和聲音偽裝。

每個機器人都由軟質彎曲致動器組成。彎曲致動器的外形尺寸為25x150x15mm，由七節獨立致動器所串聯在一起。軟質水凝膠部件擁有液壓腔和液壓連接功能。而剛質水凝膠部分則是由不易延展的零件所製成，故可以在液壓致動下實現彎曲。與現有的滲透水凝膠致動器相比，這種大尺寸的水凝膠致動器具有更快的運動速度。它可以在不到一秒鐘內實現20度的彎曲動作。

註：為了獲得最佳的視覺效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。
 

水被泵入致動腔，為機器人提供動力。請看下方影片，一根筆直的水凝膠致動器在一秒鐘內彎曲成一個完整的圓。隨著水被泵出，致動器又在一秒鐘內恢復到原來的形狀。而由相同水凝膠製成的滲透型水凝膠致動器執行相同彎曲運動時所需要的時間，則比上述時間長的多（約需好幾個小時）。
 

註：為了獲得最佳的視覺效果，研究人員把透明水凝膠染成了桃紅色。
 

在實驗中，研究團隊製造了一種水凝膠機器魚，可以像真正的魚一樣游泳；以及一個手狀水凝膠抓取器，隨著水的泵入和泵出，該抓取器可以實現抓取和釋放功能。

請看下方影片，一條水凝膠機器魚在彩虹背景游泳時保持偽裝狀態。機器魚還能通過由液壓驅動的敏捷尾部動作，執行彷彿魚類向前游的運動。兩個獨立的液壓零件控制著魚的液壓動作（圖3）。

下圖中的偽裝水凝膠抓取器能夠快速彎曲，用以捕捉及釋放活的金魚。由於其光學透明度，水凝膠抓取器在接近水槽中的金魚時，可以保持偽裝狀態。水凝膠的敏捷動作使得抓取器能夠成功捕獲金魚，而其原有的軟質成分不會對金魚造成任何傷害。

六個彎曲致動器由一個液壓輸入端同時致動，從而操作抓取器（圖4）。請看下方影片，透明水凝膠抓取器捕獲並釋放活的金魚。
 

水凝膠結構幾乎完全透明，因此在水下可以完全偽裝起來。它們的聲音和光學性質也與水幾乎相同。軟質致動器和機器人通常使用諸如Ecoflex和Elastosil這樣的有機矽彈性體。它們是具延展性的，但具有光學不透明度，在可見光範圍內的透光率只有5%。然而，PAAm-藻酸鹽水凝膠在可見光範圍內擁有更高的95%透射率；其反射率（1.3365）也與水的反射率接近（1.333）。PAAm-藻酸鹽水凝膠也具有顯著的聲波特性。水凝膠結構內的聲速（1485.7m/s）幾乎與純水相同（1447.5m/s）。PAAm-藻酸鹽水凝膠的聲阻抗（z0=1.487×106Pa·s-1）與純水的聲阻抗（z0=1.448×106Pa·s-1）僅相差約1%。

光學和反射聲波特性通常用於水中環境的感測應用。水凝膠的光學和聲音特性與水非常相似，這使得液壓水凝膠致動器成為偽裝設備的完美選擇。據研究人員介紹，這些水凝膠致動器和機器人在生物醫學、可調光學、軟電子學和機器人學等領域擁有實際性的應用意義。

舉個例子，我們可以進一步改善水凝膠元件，將其用於治療用途，比如標靶藥物治療。由於水凝膠的光學和聲波透明度，這些元件也可運用於實現即時高傳真光學和超音波成像。