麻省理工學院（MIT）的工程師們制造了透明的水凝膠機器人，通過泵入或泵出水來實現機器人的移動。該機器人可以執(zhí)行許多快速且需要“力氣”的任務，例如在水下踢球、抓放小魚。

水凝膠是一種堅韌且?guī)缀跬该鞯南鹉z材料，主要成分是水。每個機器人由精確設計的水凝膠中空結構組成，與橡膠管連接。研究人員將水泵入水凝膠機器人時，迅速膨脹的結構使得機器人能夠卷曲或伸展。

研究團隊打造了幾款不同的水凝膠機器人，包括可以來回伸展收縮的鰭狀結構，可以實現踢球動作的鉸接結構，以及能夠抓取和釋放動作的手形機器人。

因為水凝膠機器人由水驅動，并且組成成分幾乎完全是水，因此它們具有與水十分相似的視覺和聲學特性。研究人員指出，如果將這些機器人用于水下場景，它們將幾乎是“隱身”的。

該團隊由MIT機械與土木環(huán)境工程學院的趙選賀副教授和研究生Hyunwoo Yuk主導，他們目前正在尋求水凝膠機器人在醫(yī)療領域的應用。

趙教授說：“水凝膠的柔軟性、水溶性和生物相容性使之可以更好地應用在人體器官中。 目前，我們正在積極與醫(yī)療團體合作，將水凝膠做成柔軟的手術器材，例如水凝膠抓手。它可以在手術操作中更加溫和地操控、移動人體組織和器官?！?/p>

最近，趙教授在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結果。研究的合作者包括MIT機械工程副教授Nicholas X. Fang、博士后Mahdi Takaffoli和研究生Shaoting Lin和Chu Ma等。

機器人配方

過去5年中，趙教授的團隊一直致力于開發(fā)水和聚合物混合溶液的“配方”，從而得到堅韌且具有拉伸性的水凝膠材料。他們開發(fā)了水凝膠粘合劑，可以在玻璃、金屬、陶瓷、橡膠等表面產生抗剝離強度極高的粘結結構。

團隊很快意識到，這種耐用、柔韌的高粘合水凝膠可能是軟性機器人的理想材料。此前，許多團體已經成功使用硅膠等橡膠材料設計出了軟機器人，但這些材料不像水凝膠那樣具有生物相容性。趙教授說，水凝膠幾乎由水組成，可以更安全地應用在生物醫(yī)學上。

此外，相比其他水凝膠機器人在重復操作下產生裂痕或爆裂的易脆性，趙教授的“配方”更為柔軟，更為適合發(fā)展柔性機器人。

Yuk說： “最初我們并沒有直接想到柔性機器人項目，但意識到了水凝膠可以作為有效的執(zhí)行器發(fā)揮作用?！?/p>

快速并且有力

為了將水凝膠材料應用于柔性機器人，研究人員試圖從動物界中找到靈感。 他們注意到了“玻璃鰻魚”：微小透明的水凝膠狀鰻魚幼蟲在海洋中孵化，最終遷移到它們的自然河流棲息地。

Yuk說：“這是一段十分漫長的旅行。玻璃鰻魚并沒有特殊的保護手段，但它們近乎透明的身體成為有效的偽裝。我們想要達到與玻璃鰻魚水平相似的透明度、力量和速度?！?/p>

為此，研究人員使用3D打印和激光切割技術將他們的水凝膠配方打印成中空結構的機器人，并通過橡膠管與外部的泵連接。

研究人員使用注射器泵向中空結構中注水，使機器人結構實現快速卷曲或拉伸，移動的速度取決于機器人的整體構造。

趙教授的研究小組發(fā)現，在注水后，水凝膠機器人可以產生快速有力的反應，在1秒鐘內產生幾牛頓的力。相比之下，其他研究人員通過簡單滲透實現水凝膠機器人運動的過程通常十分緩慢，在數分鐘甚至幾小時內才能產生幾毫牛的力。

抓取和釋放

這種水凝膠機器人能夠承受多達1000次循環(huán)使用而不產生破裂或撕裂。另外，與橡膠和其他常用的軟機器人材料不同，得益于水凝膠和水在聲學和光學方面的高度相似性，它們在水下幾乎是隱形的。

作為該技術的示范實驗之一，研究人員制造了一個手形機器人，通過水的泵入和泵出可以實現夾子的打開和合攏。研究人員將夾子浸沒在金魚魚缸中，當魚游過去時，夾子可以產生快速且足夠大的力，將金魚捕獲。

趙教授說：“當把魚釋放時，它仍然歡快的游來游去。這是因為水凝膠十分柔軟，不會對魚造成任何傷害。用堅硬的傳統(tǒng)手形機器人很難實現這種效果?！?/p>

接下來，研究人員計劃細分水凝膠機器人的特定用途，根據不同的場合定制水凝膠的配方。例如，在很多醫(yī)療應用中并不需要完全透明的結構；一些應用中需要機器人的某些部分比其他部分硬度高。