加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和洛杉磯加利福尼亞納米系統(tǒng)研究所的研究人員最近開(kāi)發(fā)了一種基于自持式水凝膠振蕩器的軟游泳機(jī)器人。這種機(jī)器人在Science Robotics上發(fā)表的論文中顯示，其可以無(wú)需電池在恒定光輸入下運(yùn)行，這項(xiàng)發(fā)明意味著在未來(lái)電池和電纜或許不再成為困擾海底機(jī)器人的制約條件。
參與這項(xiàng)研究的博士生趙宇森（yusen zhao）道出找到這項(xiàng)巨大突破時(shí)的緣由：“當(dāng)我在柔軟、快速響應(yīng)的水凝膠柱上照射光線時(shí)，我觀察到水凝膠柱開(kāi)始圍繞光束振蕩?！薄斑@對(duì)我來(lái)說(shuō)非常有趣，我想知道恒定輸入怎么能產(chǎn)生間歇性輸出？在什么條件下會(huì)發(fā)生振蕩？它是否足夠強(qiáng)大，可以在水中推進(jìn)和游動(dòng)，最終導(dǎo)致太陽(yáng)帆？這些問(wèn)題促使我繼續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)研究，旨在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)?！壁w宇森這樣解釋。
趙和他的同事開(kāi)發(fā)了一種由光響應(yīng)軟凝膠制成的軟振蕩器，它被模壓成柱狀或條狀。當(dāng)光線照射到凝膠柱的一個(gè)點(diǎn)上時(shí)，它會(huì)自動(dòng)被吸收并轉(zhuǎn)化為熱量。機(jī)器人上的局部加熱點(diǎn)使其噴射一些水并使其體積縮小，導(dǎo)致其尾部朝向光源彎曲。
“在它彎曲之后，尾巴本身阻擋了光線，”趙解釋道?！耙虼耍幱包c(diǎn)會(huì)立即冷卻并再次膨脹，這會(huì)導(dǎo)致尾部再次下降。這個(gè)過(guò)程會(huì)迅速重復(fù)，導(dǎo)致拍打動(dòng)作持續(xù)，只要光線適用。”
由于凝膠柱在組成上是均勻的并且?guī)缀螌?duì)稱，因此它能夠響應(yīng)來(lái)自任意方向的光，這幾乎可以覆蓋整個(gè)3-D空間。振蕩器具有接近無(wú)限的自由度，是機(jī)器人技術(shù)的重要優(yōu)勢(shì)。
研究人員評(píng)估了他們的游泳機(jī)器人，其身體漂浮在水面上，尾巴位于水線以下，以確定其設(shè)計(jì)的有效性。他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光照在機(jī)器人的尾巴上時(shí)，它會(huì)上下振動(dòng)，最終使機(jī)器人從光線中游離。這種沿著光源方向移動(dòng)的獨(dú)特特征模仿了許多活體動(dòng)物（如浮游生物和飛蛾）的趨光性行為，提供了通過(guò)遙控進(jìn)行導(dǎo)航和操縱的有用手段。
“軟機(jī)器人的美妙之處在于其設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)潔性，”趙的研究主管Ximin He告訴我們?！罢麄€(gè)機(jī)器人都是由一個(gè)均質(zhì)的水凝膠制成，極大地簡(jiǎn)化了制造工藝并降低了成本?！?
為了制造自持式水凝膠振蕩器并使其成為理想的形狀，研究人員將前體溶液注入預(yù)定的模具中，對(duì)凝膠進(jìn)行紫外線固化，然后將其從模具中取出。由于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的原理非常普遍且廣泛適用，因此振蕩器可以由許多材料構(gòu)成。
“發(fā)現(xiàn)一種利用環(huán)境能源產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)的新普遍原理是令人興奮的，”他說(shuō)?！巴ㄟ^(guò)這種方式，我們意識(shí)到恒定的環(huán)境刺激，如光，可以產(chǎn)生強(qiáng)大的振蕩，用這種簡(jiǎn)單的材料在水中推進(jìn)和移動(dòng)，由光線定向引導(dǎo)。這提供了一種收集環(huán)境能量并轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的一般方法能量和許多其他形式的能量來(lái)進(jìn)行有意義的工作?！?
在他們的研究中，趙，他和他們的同事揭示了一種利用天然能源產(chǎn)生振蕩運(yùn)動(dòng)的新方法。采用這種方法來(lái)構(gòu)建振蕩器的研究人員可以根據(jù)他們希望收獲的能量類型，從廣泛的刺激響應(yīng)材料中進(jìn)行選擇。
由研究人員創(chuàng)造的游泳機(jī)器人由光振動(dòng)提供動(dòng)力，其運(yùn)動(dòng)由恒定光線引導(dǎo); 因此，它不受限制，無(wú)電池且智能化。它是迄今為止開(kāi)發(fā)的首批完全軟式機(jī)器人之一，重量輕，成本低且易于部署。
“我們現(xiàn)在計(jì)劃進(jìn)一步優(yōu)化材料，以便能夠在更寬的條件下振蕩，例如溫度，光波長(zhǎng)等，”趙說(shuō)。“我們也在尋找更多應(yīng)用，例如信號(hào)傳感，能量收集和其他機(jī)器人運(yùn)動(dòng)?！痹谖磥?lái)，一定能讓機(jī)器人完全脫離電源并更快行動(dòng)。 來(lái)源：機(jī)經(jīng)網(wǎng)
