全球首例完全自主运动的软体机器人

哈佛大学在仿生机器人上又取得突破性成果，发明了首个全自动的章鱼仿生机器人“八爪怪”。这是全球首例完全柔性、完全自主运动、自带燃料、无需电池的软体机器人，不包含任何刚性电子元件如电池或计算机芯片等，并且其运动无需连接计算机。具有软萌的章鱼哥外形，又具备翩翩起舞的运动能力，轰动一时，堪称机器人界的“网红”。

虽然看起来很像小孩子生日聚会上礼品袋里的玩具，但“八爪怪”仿生机器人却无疑代表了机器人技术惊人的进步。随着“八爪怪”进一步的完善，在未来将有望被应用于海洋探测与救援、海水温度检测甚至军事勘测等诸多领域。

为了让大家更加了解科学家是如何制造出“八爪怪”软体机器人，DT君走进了哈佛大学詹尼弗·刘易斯（Jennifer Lewis）实验室。

废话不多说，我们先来图解“八爪怪”的制造过程：

研究人员称量制作“八爪怪”身体的硅酮混合物

研究人员准备用于3D打印的铂金属墨水

自制的章鱼形状模具，用于构造“八爪怪”的身体

“八爪怪”的中心是一个柔性微流控芯片，作为机器人的“大脑”，控制所有八个触手的运动。

第一步，将硅酮混合物倒入章鱼模具，覆盖芯片。

然后，3D打印机在硅酮树脂中打印两种墨水线条：铂金属墨水用于与“燃料”双氧水反应形成驱动机器人触手运动的气体；另一种墨水将作为牺牲层，在烘烤步骤蒸发掉，在机器人身体内部形成中空的管道，用于气体流通。

用来制作“八爪怪”的全套工具和模具，研究人员尝试了300多次才成功实现自主运动的“八爪怪”。

植入“八爪怪”身体*的微流控芯片的细节特写图。

制作章鱼形状模具的设备

通常，“八爪怪”本体是无色的，有时用一些显眼的染料来表明结构。

这里显示的不同颜色标明了气体通过“八爪怪”的通路，用于交替控制其四只触手，帮助其进行移动。“八爪怪”机器人大约2英寸长。

这张图是瞎拍着玩儿的，“八爪怪”在黑暗中能发光

该实验室的研究生瑞安·特鲁比（Ryan Truby）表示：“所有的部分都是自主制作的”。其中，“八爪怪”软体机器人材料部分的研究正是在该实验室进行的，而“八爪怪”的章鱼形状模具和微流控芯片则是由罗伯特·伍兹（Robert Woods）实验室研发的。制作“八爪怪”的材料就是很多微流控实验室中常用的材料，但是研究者尝试了300多次实验才得到最佳的“配方”。

首先，研究者将微流控芯片放入自制的章鱼形状模具中；然后，向空模具中注入硅酮(聚硅氧烷)混合物，覆盖芯片；最后，研究者利用3D打印机在硅酮材料中打印两种墨水线条，然后烘烤四天。烘烤将使得整个章鱼形状密封，并使其中打印的两种墨水之一蒸发掉，只留下中空的导管，最终用于使气压流过并控制其运动。

说起机器人，大多数人首先联想到的一般是电影《终结者》或者《变形金刚》里的形象，而在现实生活中，大多数“机器人”也确实都由金属材料组成。然而现在越来越多的科学家们对柔性非常高的“软体机器人”产生了兴趣。

软体机器人具有很多优点，它们制造工艺简单，能够用3D打印完成，材料价格相对低廉，此外由于柔性高，在狭窄的工作环境中可以发挥出独有的优势。

然而，到目前为止，所有的软体机器人都存在着一个巨大的问题，那就是由于供能和控制部分通常需要外置，以确保机器人的整体柔性。因此机器人在移动时都会拖着长长的管子或者电线，严重地影响了自身活动的“*性”。

“八爪怪”则巧妙地解决了这一问题，它在保持柔性的同时集成了需要的一切，包括了运动器（actuator），控制系统和功能系统，因此可以完全“*”地活动。

逻辑电路与电路板相似，可以自动控制动力

解决这一问题的核心关键在于如何建造一个柔性的能量供给和动力输出系统，哈佛大学的工程师们给出的答案是这样的——我们不用电池，而是直接用“燃料”。

章鱼机器人内部反应室的整体驱动单元的上半部分，以及一个触手内的驱动过程。展示了微流控制技术将液体注入与排空的原理。

所以说，虽然“八爪怪”外表十分软萌可爱，其本体实际上相当于一个气动导管，实质上是通过气压控制其运动。

为了实现“八爪怪”的自主移动，研究者使用的就是医院常用的消毒剂——高浓度的双氧水（化学名称为过氧化氢）。科学家们以50%浓度的过氧化氢水溶液为燃料，铂金属为发动机（实际上是催化剂，为了达到更好的催化效果，实际采用的是铂金属粉末）。

50%质量比的过氧化氢在铂金属粉末的催化下迅速释放氧气

研究者将双氧水通过导管泵入其身体*的内部腔室，最终与内部设计的铂金属线相接触而发生化学反应，产生气体。气体从这里膨胀并通过称为微流体控制器的微型芯片，驱动“八爪怪”的触手运动。

整个过程中交替地释放气体，分别控制“八爪怪”一半的触手上下移动和游动，看起来就像翩翩起舞。据称，消耗一毫升的双氧水燃料，“八爪怪”能够移动大约八分钟。

然而，“八爪怪”还远非完美。目前“一罐”燃料的使用时间大概在4-8分钟之间，而机器人自主转向的能力则几乎为零。

章鱼机器人内部的微流体逻辑电路 图片来源：哈佛大学

目前，科学家们正在制造不同大小的“八爪怪”以确定最佳尺寸和身体各部件的比例，此外，还会加装额外的感知器让机器人自主感应环境，以实现自动规避障碍物。

其实，“八爪怪”的设计是有意遵循极简主义，只是为了演示完全有能力制作这种新型软体机器人。但无论如何，虽然还缺少感知和编程能力，“八爪怪”完全柔性、完全自主的运动特性已经足够惊艳了。