科学家开发流体力学驱动的机器人，无机械加工可节约高昂机器成本

（来源：Nature）

一条灵活摆动尾巴的小鱼在水中畅游。它身体线条流畅，每一次翻转都展示出生命的活力与优雅。它的这一动态表现背后，其实蕴含了一种前沿技术——“花式气球”泡泡铸造法。这项技术的灵感，竟然来自观察自然界中的泡泡。

再看另一幅画面，仿佛看到几根弯曲的“手指”在跳跃舞动，犹如钢琴家的指尖在琴键上弹奏出美妙的乐章。这些灵活的“手指”，也是通过“花式气球”泡泡铸造法技术实现的。它们虽然外观各异，但却共享同一技术的精髓。

封面上的Nature论文，引领我们走进软体机器人的新世界。回想过去的软体机器人，虽然充满无限想象，却在执行任务的完美度上有所欠缺。它们虽然柔软，可以进入和绕行一般硬体机器人无法触达的地方，但驱动它们的往往是刚性的执行器，使得任务执行效果并不尽如人意。

软体机器人，由可延展材料制成，设计的难点在于如何控制其拉伸和变形方式，这两种方式决定了它的移动方式。尽管应用前景广阔，但目前许多软体机器人的柔软“身体”却不得不依赖刚性驱动器来驱动。这无疑对任务执行的效果产生了影响，无法完全实现预期目标。

科研团队不断突破，为了让软体机器人更实用，他们已经研发出软体驱动器，让机器人完全实现软体化。但以往要实现这一目标，通常需要借助昂贵的设备如3D打印机或激光切割机，这无疑限制了软体机器人的普及和应用。

但现在，这一切的难题都被一项新技术攻克了。就像文章开头动图展示的软体机器人，它搭载了科学家们最新发明的新技术——“花式气球”泡泡铸造法。通过这种技术，我们可以更简便、更经济地制造软体机器人，而不再需要依赖昂贵的设备。这一创新将极大地推动软体机器人的发展，为未来的机器人技术开启新的篇章。（来源：Nature）

一篇引人入胜的Nature封面论文，灵感竟源于“花式气球”。这项研究由普林斯顿大学化学与生物工程系的团队倾力完成，他们探索了一种全新的软体机器人制造方法——“花式气球”法。

想象一下气球，它在充气时能够按照预定的方式改变形状。正是基于这样的原理，研究者们将气泡技术引入到了液态聚合物（也就是橡胶）中。当气泡被注入到模具中的液态聚合物里，就会形成一个长长的气泡。当聚合物凝固后，这个结构就能够实现弯曲、移动甚至抓取物体的功能。

随着研究的深入，他们发现当弹性体由于重力作用逐渐沉到底部时，气泡则会缓缓上升到顶部。紧接着，他们在气泡顶部周围的薄膜进行充气，随着薄膜尺寸的增加，气泡就会紧紧包裹在硬底部的周围。这就意味着，随着气泡的上升，一层弹性体薄膜会留在其上方，但大部分的液态弹性体最终会沉淀到下方。

这种技术的亮点在于，它能够创造出如同肌肉一般收缩的软体手指。例如，一个能够单独弯曲的软体手指，当对其施加空气时，就能够像真手指一样握住水果。这项研究不仅展示了“花式气球”在科技领域的潜力，也为软体机器人的制造开辟了新的道路。泡泡铸造技术巧妙地运用了流体的物理特性。在制造过程中，使用管状物或螺旋状物作为模具，将空气注入液态聚合物中，形成气泡。随着聚合物的凝固，这些气泡被保留在成品中，当弹性体硬化后，就可以从模具中取出并为其充气。贴近气泡的薄面会在较厚的底座上伸展并卷曲。

液态聚合物的注入过程十分灵活，模具的形状可以简单如管状，也可以复杂如螺旋形或其他更复杂的图案。在这个过程中，通过控制各种因素，如弹性体的厚度、沉降速度以及液态聚合物固化时间等，可以精确调控所生产的致动器的移动方式。这一切都依赖于流体力学的原理。

值得一提的是，这一系统具有极高的可扩展性。它不仅可以生产出长达数米的执行器，还可以生产出薄至100微米、几乎和人类头发一样纤细的执行器。这种技术为制造各种形状和尺寸的执行器提供了无限可能，使得泡泡铸造技术在应用上更加广泛且充满潜力。经过深入研究与探索，团队开创了一种全新的软体机器人技术，它采用充气方式驱动执行器，与传统方法截然不同。传统的软体机器人大多依靠磁场、电场、温度或湿度变化来产生变形，而该技术则通过充气使执行器产生变形，并在充气过程中呈现出独特的变形特性。

这一技术的核心在于一种特殊的薄膜，这种薄膜拥有优化的偏心空隙拓扑结构，展现出卓越的弯曲系数，远超过多数充气执行器。更为引人注目的是，这种泡泡铸造技术大大降低了生产成本，无需昂贵的3D打印机、激光切割机或其他传统生产工具。它仅需要空气作为驱动源，还可以通过磁性、电流以及温度和湿度的变化来激活，具有很高的灵活性和实用性。

团队在研发过程中，花费了大量时间研究和预测机器人充气后的行为方式。他们的目标是设计出具有特定运动特征的软体驱动器，并通过简单的方程预测其后续行为。这样的设计不仅使软体机器人易于制造，还使其能与环境进行交互，同时保持材料的复杂性在可处理的范围内。

这项研究在软物质通信系统中引起了巨大的反响，为下一代机器人材料的发展开辟了新的道路。这种技术将使机器人材料更容易移动，更具适应性，同时也降低了生产的复杂性和成本。它的出现，无疑将在软体机器人领域引发一场革命性的变革。（来源：Nature）泡泡铸造技术是一项革命性的无粘合制造方法，它摒弃了传统的粘合方式，转而依赖流体流动来构建空隙。这一技术的核心在于利用流体力学的基本原理，通过注入空气来塑造弹性体，从而创造出各种尺寸的软气动执行器。

尽管泡泡铸造技术在制造软体机器人执行器方面取得了显著的成果，但它仍然面临一些挑战。如何防止设备在充气过度时爆裂是一个关键问题。目前，这项技术仅在几米高的弹性体填充管中取得了成功，一旦膨胀过度，将导致灾难性的后果。

研究人员指出，泡泡铸造技术的优势在于其简单性和灵活性。它不再依赖内部模板或复杂的机械部件，而是依赖于连续介质机械的力学特性，这使得制造过程中可能出现的问题大大减少。这种创新的生产方式使得以前无法实现的长宽比和无缝制造成为可能。

美国西北大学应用物理专业博士生袁航表示，该研究巧妙地利用了空气注入技术，在弹性体由液态向固态转变的过程中进行干预。通过这种方式，可以稳定地制造出各种气压驱动的柔性驱动元件。这一技术的核心在于利用流体物理学的基本原理，通过控制流体的流动和气压的变化，来实现对弹性体的精确控制。

与此美国波士顿大学工程学院的杨溢博士指出，这项研究的重点并不在于最终制造的软体机器人本身，而在于其制造方法。与传统的模具浇筑方法相比，泡泡铸造技术更加简单，并且能够实现常规方法难以实现的效果。它利用流体力学的原理，设计了一种简单而精确的制作方法，能够制作出气压驱动的软体机器构件。

值得一提的是，泡泡铸造技术还详细阐述了弹性体截面形状形成的机理。这一技术不仅为制造软体机器人提供了全新的思路和方法，也为未来的研究和应用提供了广阔的空间。袁航也强调，该方法不涉及复杂的制备过程，可以通过特定形状的模具大规模地制备各种柔性驱动元件。这为大规模生产软体机器人提供了可能，也将为未来的工业生产带来革命性的变革。未来展望：千足虫式软体机器人的崭新世界

传统的硬体机器人在众多领域里展现出其强大的实用性，但它们坚硬的外壳常常给人留下冷冰冰的印象。这种固有的设计限制了它们在某些情境下的互动能力，尤其是在与人类或柔软物体的接触中。想象一下，它们无法轻松地握住你的手一同移动，更别提与西红柿等柔软食材的互动了。这样的限制让许多应用场景变得难以实现。

软体机器人的出现为我们打开了一扇全新的大门。它们拥有无与伦比的灵活性和适应性，能够轻松适应各种环境和任务需求。想象一下，它们被用于农场中精准地收获农产品，或在生产线上精准地抓取微小的物品。不仅如此，它们甚至可以作为可穿戴运动紧身衣的一部分或皮下设备，帮助心脏病患者获得更好的治疗效果。它们的柔软性和适应性使它们成为医疗、农业等领域的新宠儿。

现在，研究者们正致力于开发一种新型的软体机器人——“千足虫”。他们希望通过组装复杂的执行器，并利用这一方法的灵活性、鲁棒性和预测性来加速开发过程。想象一下，这些软体机器人能够拥有长形、曲折或血管结构等形态，这些设计将赋予它们前所未有的功能。想象一下它们能够像真正的生物一样行动自如，同时又能完成各种复杂的任务。这种独特的柔软和生物运动的结合使得软体机器人在各种创新应用中充满无限可能。

建模、计算和制造方面的最新技术为软体机器人的设计、编程和组装提供了强大的支持。随着这些技术的不断进步，软体机器人的应用领域也将持续扩大。它们可能会进入更多领域，帮助我们完成更多前所未有的任务。未来已来，千足虫式软体机器人正带领我们进入一个全新的世界！接下来，研究人员满怀期待地计划利用这一方法进一步推动软体机器人的发展。他们设想中的软体机器人，将拥有如千足虫般独特的移动方式，以连续的波动同步行进，或是模拟人类心脏的律动，从单一的驱动源实现收缩与放松。这些设想无疑为我们描绘了一幅未来科技的生动画面。

随着对物理学领域的深入理解，研究人员对于开发新一代软体机器人充满了信心。他们表示：“我们已经对这个问题有了足够深入的认识，现在是探索机器人技术的最佳时机。”这份热情和决心无疑将引领他们走向成功，推动软体机器人技术的创新与发展。