流體電路軟機器人的案例
全3D打印流體電路軟機器人，美國馬里蘭大學《Science Advances》
導讀：提到機器人時，人們通常會想到許多類似星球大戰等電影中C-3PO之類的形象。但在過去10年里，軟機器人的概念出現了。這種機器人使用空氣或水等流體，以及柔軟、靈活的材料。與傳統硬機器人不同，軟機器人具有人機交互的安全性，還能進行改造，例如抓住小巧物體或具有復雜幾何形狀之類的東西。
美國馬里蘭大學和加州大學伯克利分校、卡內基梅隆大學學者利用PolyJet這種3D打印方法，在單次打印中制造包含完全集成流體電路的軟機器人。這種機器人利用新型3D流體電路元件（例如，流體二極管、“常閉”晶體管和具有幾何可調壓力增益功能的“常開”晶體管）來響應流體傳統電子信號，包括“直流 (DC)”、“交流(AC)”，還可以通過預編程（“可變電流”）進行狀態調節。
△PolyJet 3D打印軟機器人系統，在單次打印中集成流體電路。( A ) 模塊化3D CAD模型和流體電路元件、流體互連、軟致動器和結構外殼的類似電子電路符號。（B）具有完全集成的流體振蕩器電路的統一軟機器人的CAD模型和相應的模擬電路圖。(C ) 使用彈性（黑色）、剛性（白色）和水溶性支撐（黃色）材料多材料PolyJet 3D打印軟機器人的概念圖。( D ) PolyJet 3D打印過程的順序延時圖像。比例尺，5厘米。( E和F) 在去除支撐材料之前和之后(F) 具有集成流體電路 (E) 的統一多材料軟機器人的制造結果。比例尺，2厘米。圖片來源：Ruben Acevedo，馬里蘭大學帕克分校。
研究團隊使用了Stratasys的PolyJet3D 打印機Objet500 Connex3，以及SolidWorks軟件建模所有流體回路元件、軟執行器、端口和集成軟機器人系統。
展開 國立首爾大學《科學·機器人》8種變形模式，95%精確度，微流控人機界面軟傳感器
【科研摘要】
為了提高機器人對周圍環境和人類的適應性，對軟機器人進行了研究，以實現更有效，更安全的協作和交互。為了提高機器人的適應性，已經通過實現不同的感測機制來積極地開發軟傳感器，例如，檢測電特性[例如，電阻和電容]或光學特性[例如，光強度和波長]。可以通過組合不同類型的材料來制造這些軟傳感器，這些材料包括液體（例如，離子液體和液態金屬），納米材料（例如，碳納米管）和金或銀納米線]，導電織物以及光學或光電材料（例如， 光電二極管，發光二極管（LED）和波導]。它們在檢測機器人的部分或整個身體的不同類型的物理刺激中起著至關重要的作用，類似于生物學中的機械感受器或本體感受器。
類似于生物學中的機械感受器或本體感受器，軟傳感器在檢測機器人的部分或整個身體的不同類型的物理刺激中起著至關重要的作用。由于在有限的空間中組合多個傳感機構的限制，當前大多數具有緊湊形狀因數的軟傳感器一次只能檢測到一個變形模式。但是，在不增加其原始形狀系數的情況下在軟傳感器中實現多種模式是有益的，因為即使對機器人的單個輸入刺激也可能導致多種變形模式的組合。
【科研摘要】
最近，國立首爾大學Yong-Lae Park教授團隊報告了一種多功能的軟傳感器，該傳感器能夠以緊湊的形式將拉伸，彎曲和壓縮的組合變形模式解耦，以及檢測單個變形模式。相關論文Heterogeneous sensing in a multifunctional soft sensor for human-robot interfaces發表在《Science Robotics》上。提出的傳感器的關鍵使能設計功能是異類傳感機制的組合：光學，微流體和壓阻傳感。通過實現簡單的閾值評估算法和基于人工神經網絡的機器學習技術，來表征變形模式的檢測和解耦性能。
展開 《自然·通訊》仿生變色龍軟機器人，具有人工隱匿和破壞性著色皮膚！
在完整的設備級別開發人工偽裝仍然是一項極具挑戰性的任務，特別是在通過高分辨率偽裝圖案實現更先進和更自然的偽裝特性的目標下。最近，
漢陽大學
Sukjoon Hong
教授
和首爾國立大學
Seung Hwan Ko
教授
團隊
的策略是
將熱致變色液晶層與垂直堆疊的、圖案化的銀納米線加熱器集成在多層結構中，以通過疊加加熱器引起的溫度分布來克服傳統橫向像素化方案的局限性。
圖
1：能夠生成具有 RGB 著色的多種皮膚圖案的多層 ATACS。a
）
多層 ATACS 的數字圖像及其帶有垂直堆疊圖案加熱器層的底部圖像。
b
）
多層 ATACS 的配置：TLC 涂覆在黑色墨水層上。Ag NWs 滲透網絡加熱器堆疊在 cPI 薄膜上，并通過紫外激光燒蝕工藝進行圖案化。
c
）
Ag NW 加熱器通過焦耳加熱機制產生熱量。
d
）
其銀的 EDS 圖像橫截面的 SEM 圖像。比例尺為 5
μ
m。
e
）
CIE 1931 ATACS 色度圖及其在 25.5、28 和 36 °C 下的實際圖像。
f
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ATACS 的著色性能取決于各種直流電壓。
g
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具有 7 個多層高度靈活 ATACS 貼片的變色龍模型。
h
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在變色龍模型上演示多層 ATACT 補丁。
插圖是一個真正的變色龍，全彩。
同時，
該研究利用銀納米線網絡的溫度依賴性電阻作為主動控制系統的過程變量，解決了熱致變色偽裝方案的弱點
。結合主動控制系統和傳感單元，完整的設備變色龍模型成功地檢索到局部背景顏色，并將其表面顏色與自然過渡特征瞬間匹配，成為下一代人工偽裝的有力選擇。
展開 南洋理工大學《AFM》堅韌、可拉伸和自修復聚氨酯膠粘劑彈性體-軟機器人
摘要
軟機器人容易因動態環境中發生的物理損壞而過早失效。為了解決這個問題，
新加坡南洋理工大學
Pooi See Lee
教授
團隊
報告了一種具有高韌性、室溫自愈性和強粘附性的彈性體，可以防止軟機器人損壞和恢復。通過使
用脲基
-4[1H]-嘧啶酮 (UPy) 和羧基的分級氫鍵對聚氨酯
進行功能化，可以獲得高韌性 (74.85 MJ m
-3
)、拉伸強度 (9.44 MPa) 和應變 (2340%)。
此外，室溫下溶劑輔助自修復能夠在 12 小時內保持高韌性 (41.74 MJ m
-3
)、拉伸強度 (5.57 MPa) 和應變 (1865%)。該彈性體具有高介電常數 (≈9)
，有利于其用作軟機器人的自修復介電彈性體致動器
(DEA)。在機械和電自愈后分別顯示 ≈31.4% 和 ≈19.3% 的高面積應變，實現了性能最佳的自愈 DEA。憑借豐富的氫鍵，無需額外固化或加熱即可實現高粘合強度。具有
驅動和粘合特性，實現了用于組裝堅固軟機器人的“粘貼”策略，允許軟機器人組件在嚴重損壞時輕松重新組裝或更換
。這項研究突出了具有極端堅固性的軟機器人在不同操作條件下的潛力。
相關論文以題為
Rugged Soft Robots using Tough, Stretchable, and Self-Healable Adhesive Elastomers
發表在《
Advanced
Functional
Materials
》上。
主圖
材料特性
圖1
UPy-CPU 的分子結構和材料表征。
a) UPy-CPU 的化學結構。
展開 
如此“怕軟欺硬”，縫紉機器人如何才能迎來爆發？
與這些國家的勞動力成本一對比，機器人的競爭優勢就微乎其微了，企業完全可以通過遷移工廠的形式，來充分利用這段時間的廉價勞動力，待機器人技術更為成熟、價格更為低廉之后再進行應用。
除了在成本上競爭不過發展中國家的勞動力之外，縫紉機器人自身技術發展的不足，也成為其在當下難以被大規模商用的又一原因。
最明顯的例子就是縫紉機器人的“怕軟欺硬”，在對面料的處理上，機器人雖然能夠輕松縫紉堅硬的材質，但面對一些柔軟的面料就很難處理，不管是承擔衣料運輸還是衣片縫制，都存在抓取和精準輸送等問題。
針對這一世界性難題，在抓取上各國雖然已經推出了諸如面料工藝固化法、真空吸附法、靜電吸附法、機械微鉗法、仿真人手法等，但面對精準輸送依然還在研發克服階段。因此，只要抓取和輸送過程中柔軟面料的處理問題沒有解決，縫紉機器人就很難得到商用普及。
智能化成未來重要趨勢
當然，機器人作為新的生產方式，其未來的價值始終擺在那里，靠著對人工的代替，不久的將來可能會出現縫紉機器人制作大眾消費品，人工勞動力只生產高檔奢侈品的局面。
而要讓這個畫面變為現實，機器人還需要朝著智能化的發展趨勢不斷前進。在現有基礎上，縫紉機器人需要綜合運用人工智能、大數據、云計算等多種技術，推動自身的數字化、網絡化、云端化和智能化發展。
不僅僅只是體現自身生產設備的自動化，還要實現數據流的自動化，通過與物聯網相連組成模塊化的系統，將生產、追溯、信息交互和傳輸統統納入，以實現物與物、人與物之間實時的信息交換和通訊，以達到智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的生產目的。
同時，還要賦予縫紉機器人機器學習能力，讓其能夠在人工智能的加持下，通過實踐學習來滿足不同生產需求，并通過智能化水平的提高增強與人的交互能力，從單純的生產機器變成與人協作、助人生產的好幫手。
展開 Rev.》麻省理工學院趙選賀綜述：磁性軟材料和機器人！
在傳統分類中，軟機器人以機械柔順性為主要區別因素，與由剛性材料制成的傳統機器人不同。功能性軟材料的最新進展促進了新型軟機器人的出現，
該機器人能夠響應外部刺激（如熱、光、溶劑或電場或磁場）進行無系繩驅動。
在各類刺激響應材料中，磁性軟材料在設計和制造方面取得了顯著進展，導致磁性軟機器人的發展具有獨特的優勢和許多重要應用的潛力。然而，磁性軟機器人領域仍處于起步階段，需要在設計原理、制造方法、控制機制和傳感方式等方面進一步改進。未來成功開發磁性軟機器人需要全面了解磁驅動的基本原理，以及磁性軟材料的物理特性和行為。在這篇綜述中，
科研人員討論了磁性軟材料和機器人的設計和制造、建模和仿真以及驅動和控制方面的最新進展。然后，他們給出了一套設計指南，用于優化軟磁材料的驅動性能。
最后，總結了磁性軟機器人的潛在生物醫學應用，并提供了他們對下一代磁性軟機器人的看法。
圖
1. 軟磁性材料的分類和組成。
圖
2 磁性材料的分類及不同尺寸和形狀的磁性粒子的特性。
圖
3. 傳統磁性軟材料及其對外加磁場的響應。
圖
4 軟磁軟材料的不同驅動模式。
圖
5. 硬磁軟材料的扭矩和力驅動彎曲驅動。
圖
6. 基于熱響應聚合物基質的超順磁軟材料的磁熱驅動。
相關論文以題為
Magnetic Soft Materials and Robots
發表在《
Chemical Reviews
》上。
展開 Horiz.》南開大學劉遵峰:二硫鍵交聯來調節傳感器，開關和軟機器人的頭發人造肌肉的可逆性
【科研摘要】
對于生物相關應用中的軟機器人，傳感器和控制器，非常需要生物相容性和可生物降解材料制成的拉伸和扭轉人造肌肉。
扭曲的纖維可用于制備拉伸和扭曲的人造肌肉，而始終需要扭曲束縛，以避免釋放插入的扭曲，這增加了設備設計的復雜性。此外，還沒有實現對扭曲的纖維人造肌肉的可逆性的調節。最近，
南開大學
劉遵峰教授
團隊
通過二硫鍵交聯用來制備新型的無捻的毛發纖維中無束縛的吸濕性拉伸和扭轉纖維人造肌肉。交聯度的增加將纖維人造肌由不可逆的驅動轉化為可逆的驅動。
分別對扭曲的，同手卷的和異手卷的頭發纖維實現了不同類型的致動，包括旋轉，收縮和伸長。可逆的扭轉纖維人造肌表現出
122.4°mm
-1
旋轉，
同手性和異手性纖維人造肌表現出94％的收縮率和3000％的伸長率，
最大工作能力和能量密度分別為
6.35 J kg
-1
和69.8 kJ m
-3
，分別在暴露于水霧的情況下被實現。
這項工作提供了一種新的策略，可以保留生物纖維人造肌肉中插入的扭曲并調整肌肉的可逆性，從而顯示出在生物相容性智能材料，傳感器和機器人技術中的應用前景。
相關論文以題為
Tuning the reversibility of hair artificial muscles by disulfide cross-linking for sensors, switches, and soft robotics
發表在《
Materials Horizons
》上。
【新概念】
人體肌肉是具有扭曲結構的自立式纖維致動器，因此非常需要開發無系鏈的可生物降解的扭曲纖維人造肌肉的策略。此外，對于不同的應用場景，可逆和不可逆的人造肌肉都很重要。
展開 《AFM》5秒自動自愈/1.2MPa磁性彈性膠體，用于即時恢復/模塊編程/熱回收軟機器人
圖3
基于
SHAME的具有兩棲自愈能力的水蜘蛛軟體機器人。
圖4
基于
SHAME 的閉環自由模塊化組裝。
圖5
基于
SHAME 的肢解-導航-組裝策略。
【總結】
軟機器人
通常可以承受鈍性損壞（如沖擊、彎曲和壓縮），但是，由于其固有的柔軟性，它們極易受到破壞性
/撕裂性機械損壞（穿刺和切割）的影響。結構損壞會降低性能甚至禁用機器人功能。為了開發用于軟機器人設計的高性能自修復和可拉伸聚合物，
團隊
提出了一種簡便的超分子磁性聚合物 SHSME 合成方法，該方法具有動態線性主鏈和交聯劑的組合。源自單體 ALA 的小分子結構和多個可逆鍵在聚合物網絡中提供了高密度的動態鍵，從而產生了快速的自主自愈。SHSME材料可以在 5 秒內從破壞性的切穿損傷中自我修復后維持 300% 的拉
伸，這使其特別適合需要從不可預測的損傷中即時恢復功能的軟機器人應用。
團隊展示了具有多模態運動和兩棲自愈能力的基于
SHSME 的水蜘蛛軟機器人。更重要的是，開發了一種基于 SHSME 的閉環自由模塊化組件，可以快速輕松地制作具有多種機器人功能的復雜 3D 結構軟機器人。
最后，為了解決有限空間機器人任務的挑戰性問題，提出了一種基于 SHSME 的肢解-導航-組裝策略，以實現封閉空間內軟機器人的導航和集成。
分層動態網絡的概念可以激發快速自修復超分子聚合物的設計，其優越的自修復性能可以從軟機器人擴展到其他應用領域
，如軟電子和生物工程。
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