日本山形大學的研究人員已經(jīng)開發(fā)出了全3D打印執(zhí)行器，該執(zhí)行器可以構成類似水母的軟機器人的基礎。使用基于紫外線的3D打印機，該團隊能夠將新合成的粒子雙網(wǎng)絡（P-DN）水凝膠固化成一種與月水母的肌肉相似的收縮機制?；谒麄冃路f的設備，科學家們現(xiàn)在打算創(chuàng)建一個具有潛在海洋野生動植物監(jiān)測應用的整個水生機器人。

一群月亮水母。科學家發(fā)現(xiàn)他們的致動器以類似于月水母的肌肉的方式收縮。

圖片來自Kiara Sztankovics，Unsplash。

水生機器人的生態(tài)效益

開發(fā)能夠模仿其有機對應物行為的軟機器人的好處不僅僅在于新穎性價值。先進的設備具有與人類一起工作，進入災難管理，海洋保護甚至醫(yī)療保健應用中我們無法做到的地方的潛力。這種機器人在水下具有特殊的前景，在那里他們可以收集有關海洋的更多信息，并有助于進一步實現(xiàn)聯(lián)合國的可持續(xù)發(fā)展目標（SDG）。達到此目的的最佳方法之一是創(chuàng)建模仿天然動物運動的柔軟材料，但到目前為止，即使是3D打印的章魚風格機器人都具有金屬體，有可能使它們對海洋生物造成破壞。

盡管許多現(xiàn)有的漫游器都由硅橡膠制成的“腿”作為動力，但水凝膠卻是一種侵入性較小的替代方案，因為它們已經(jīng)由大約90％的水組成。這種成分也與在水母中自然看到的成分相似，與其他水生生物相比，其操作所需的能量要少得多，有可能使它們成為海洋友好型監(jiān)視機器人的理想基礎。

日本科學家使用UV 3D打印機制造了五個凝膠致動器原型。圖片來自ECS固態(tài)科學與技術雜志。

構造新型執(zhí)行器

在Yamagata團隊開始3D打印其執(zhí)行器之前，他們合成了一種新型的交聯(lián)P-DN水凝膠，該凝膠由硬而脆的第一聚合物和較軟的第二層組成。該材料的特點是高含水率，增強的強度和出色的可印刷性，為它們的裝置形成了堅實而易延展的基礎。

準備好配方后，科學家們使用基于UV的3D打印機將其聚合成三個獨立的部分：連接器，底座和盒子。從理論上講，“底座”和“盒子”設計為通過注入空氣而變形，從而產(chǎn)生提供推進所需的收縮，而“連接器”僅將硅樹脂管固定在執(zhí)行器的主體上。為了進行測試，該小組3D打印了五個不同的原型，發(fā)現(xiàn)該凝膠的彈性與所用單體的類型緊密相關，并且達到了交聯(lián)的水平。同樣，執(zhí)行器的生產(chǎn)寬度為0.4-0.5 mm，因為較厚的層會出現(xiàn)膨脹，從而導致零件不一致。

在壓縮測試中，通過管道將空氣注入執(zhí)行機構，科學家發(fā)現(xiàn)他們能夠通過調節(jié)其組成部件的彈性模量來控制其變形。該設備還顯示出與扁圓月水母相同的收縮率，可能使其成為完整機器人復制品的理想基礎。將來，研究人員認為，完善執(zhí)行器壁厚與其軌跡之間的關系，將是開發(fā)改進的設備迭代的關鍵。目前，Yamagata團隊打算將其執(zhí)行器集成到一個新穎的以水母為靈感的機器人中，最終目的是在海洋保護應用中使用它。

受動物啟發(fā)的軟機器人

盡管用于環(huán)境監(jiān)控的3D打印機器人是一項相當高尚的工作，但它絕不是一種新穎的機器人，并且最近還開發(fā)了幾種類似的機器人。

佛羅里達大西洋大學（FAU）和美國海軍研究辦公室的科學家開發(fā)了3D打印的軟機器人水母，能夠監(jiān)測脆弱的珊瑚礁。該設備由八個液壓執(zhí)行器組成，這些執(zhí)行器經(jīng)過專門設計，不會損壞脆弱的生物生態(tài)系統(tǒng)。

同樣，哈佛大學的一個團隊創(chuàng)造了“ Octobot” 3D打印自主軟件機器人。像Yamagata團隊的執(zhí)行器一樣，Octobot是基于氣動的，但是它不使用氧氣而是將少量的液體燃料轉化為氣體，從而像氣球一樣使手臂膨脹。

軟機器人也具有重要的陸上監(jiān)視應用程序，佐治亞理工學院的工程師已經(jīng)創(chuàng)建了3D打印的“ Slothbot”，用于在亞特蘭大植物園照顧野生動物。 該設備沿著樹木之間的電纜移動，以觀察下面生境的溫度，天氣和二氧化碳水平。

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