液態(tài)全柔性智能機(jī)器人走向哪里

基于液滴和柔性電子技術(shù)的液態(tài)全柔性智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

近年來，在自動化需求的強(qiáng)勁帶動下，全球掀起了一股機(jī)器人發(fā)展的熱潮，形形色色、各具功能的機(jī)器人產(chǎn)品，開始頻繁出現(xiàn)在我們的視野之中。但不管是工業(yè)級的搬運(yùn)、分揀、切割等機(jī)器人，還是消費(fèi)級的掃地、醫(yī)療、教育等機(jī)器人，它們“鋼鐵戰(zhàn)士”般的形象不僅拉遠(yuǎn)了與人的距離，還在一定程度上限制了自身的應(yīng)用。在這樣的背景下，“柔性機(jī)器人”概念開始逐漸被提出。

柔性電子器件具有超薄、柔性、可延展的“類皮膚”特性，在能源、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域擁有廣闊前景。理論上，利用柔性電子技術(shù)研發(fā)的微型“軟體”機(jī)器人可以反復(fù)改變形狀，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、抓取、運(yùn)輸和觸覺感應(yīng)等功能。柔性機(jī)器人需要具備材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，以及良好的人機(jī)互動性，需要破除傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的僵硬和材料的剛強(qiáng)，朝著更輕、更軟、更協(xié)調(diào)、更自主的方向發(fā)展，現(xiàn)階段“軟體機(jī)器人”依然面臨“硬傷”，需要依賴傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，嚴(yán)重阻礙了性能的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代社會的多元化需求急切呼喚“全柔性”機(jī)器人的出現(xiàn)。

近日，天津大學(xué)精儀學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)全球首個(gè)液態(tài)全柔性智能機(jī)器人，有望成為柔性電子產(chǎn)業(yè)和植入醫(yī)療器械的革命性突破。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表于國際工程和自然科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《尖端科學(xué)》并得到國家自然科學(xué)基金和天津自然科學(xué)基金等支持。

將液滴與柔性電子相結(jié)合的顛覆性創(chuàng)新思路

在天津大學(xué)精儀學(xué)院，黃顯教授團(tuán)隊(duì)一直有一個(gè)夢想?！拔覀兪茄芯咳嵝噪娮蛹夹g(shù)和可穿戴設(shè)備的，這好比一門武功?！秉S顯常常對自己的研究生們這么說?！拔覀冞@門武功的最高境界，就是通過柔性電子技術(shù)，創(chuàng)造一種新形態(tài)的類生命體。”

多年來，黃顯一直致力于通過液滴和柔性電子器件的結(jié)合，創(chuàng)造一種新形態(tài)的類生命體。隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，液滴里可以囊括各種東西，包括細(xì)胞和生命?！拔覀?nèi)祟惡蛣游镆彩浅錆M了各種電學(xué)和化學(xué)信號，比如我們要思考，那就是通過電學(xué)信號轉(zhuǎn)變成化學(xué)信號傳遞出去，在另一個(gè)神經(jīng)元處再次激勵(lì)出電學(xué)信號和化學(xué)信號，這樣不斷重復(fù)的過程。我的心臟要跳動，是因?yàn)榇竽X傳遞了信號給心臟的肌肉細(xì)胞，肌肉細(xì)胞產(chǎn)生電學(xué)信號，進(jìn)而產(chǎn)生了肌肉的收縮。以上的兩個(gè)例子告訴我們，生命的活動離不開電學(xué)和化學(xué)信號?！痹邳S顯看來，各種細(xì)胞在液滴里通過電子器件交流結(jié)合，就可以在各種電學(xué)信號和化學(xué)信號的交融中顯現(xiàn)生命的本質(zhì)。

“我們希望這種類生命體有自主感知、自主運(yùn)動、自主供能的能力，可以變形、可以執(zhí)行各種任務(wù)、可以被人類編程，同時(shí)又比其他軟體動物要先進(jìn)得多?！秉S顯說。

在這樣的思路下，黃顯團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)：將液滴與柔性電子相結(jié)合是一種全新的構(gòu)建全柔性軟體機(jī)器人的方法，在國際上尚未有與之類似的研究，具有極大的先進(jìn)性和顛覆性。該方法為全面實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜環(huán)境下可獨(dú)立工作的軟體機(jī)器人奠定基礎(chǔ)”。

一個(gè)能“72變”的血管醫(yī)生

《西游記》中孫悟空能夠“72變”，甚至化身一只小蟲鉆到妖怪肚子里大顯身手的故事寄托了古人對于微觀世界的大膽創(chuàng)想。隨著科技發(fā)展，柔性電子技術(shù)有望讓這一神話變成現(xiàn)實(shí)。通過柔軟材料的利用，驅(qū)動方式的創(chuàng)新，人們希望機(jī)器人能夠擁有更好的環(huán)境適應(yīng)性、安全性以及人機(jī)互動能力，以此在先進(jìn)制造業(yè)中可以發(fā)揮出更大的價(jià)值。

黃顯教授團(tuán)隊(duì)受自然界柔軟的水母、輪蟲等腔腸動物和浮游生物的啟發(fā)，利用液滴的柔軟無定型特性和柔性電子器件的超薄柔軟特性，構(gòu)建了一種全新的“智能液滴”——液態(tài)全柔性智能機(jī)器人。這是一種超小型、全柔性、可編程控制的液態(tài)智能機(jī)器人，能夠在不同環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動、變形和傳感測量。

黃顯團(tuán)隊(duì)的博士生、天津大學(xué)精儀學(xué)院博士研究生周明行告訴記者，這款機(jī)器人長8毫米，高度不足5毫米，由電子器件和液滴兩部分構(gòu)成（如圖）。液滴可以是水凝膠、水或者油，具體形態(tài)取決于機(jī)器人的應(yīng)用場景。由于黃色柔性電子器件僅有1.1毫克，且超薄可彎折，因此可以被液滴攜帶著進(jìn)行運(yùn)動。

這種機(jī)器人除了具備良好的運(yùn)動和環(huán)境適應(yīng)能力之外，還搭載了多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光學(xué)傳感器、應(yīng)力傳感器、葡萄糖傳感器、食品毒素傳感器和無線能量采集模塊等，未來可應(yīng)用于基因測序、化學(xué)合成、藥物遞送等領(lǐng)域，有望成為能進(jìn)入人體檢測治療的“血管醫(yī)生”，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景

據(jù)黃顯教授介紹，傳統(tǒng)的柔性電子器件載體包括人體、動物體和其他各種柔性物體，“然而以液滴為載體且跟隨液體共同運(yùn)動的柔性機(jī)器人在世界上尚屬首例，液滴與柔性電子的結(jié)合也代表了柔性電子技術(shù)的最新形態(tài)?！?/p>

在未來，這種新型的液態(tài)全柔性智能機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域也將發(fā)揮自己獨(dú)有的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液態(tài)全柔性智能機(jī)器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)療機(jī)器人等方面有著巨大的潛力，微型軟體機(jī)器人可以通過注射方式隨血液進(jìn)入血管，借助傳感元件和包載藥物，對血液和血管道進(jìn)行測量，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)可控藥物釋放等功能。在安全領(lǐng)域，液態(tài)全柔性智能機(jī)器人能進(jìn)入人類無法進(jìn)入或者危險(xiǎn)的環(huán)境，并對環(huán)境中物理、化學(xué)和生物等信號進(jìn)行檢測，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在排險(xiǎn)、探傷、偵查、安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

言及未來，小小的機(jī)器人在黃顯心中，則有著更為宏大的格局：液態(tài)全柔性智能機(jī)器人將在DNA存儲領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用；而千千萬萬個(gè)液滴機(jī)器人進(jìn)入云層，通過采集光能量，產(chǎn)生熱量，可以改變云層的溫度和濕度，從而在特定地區(qū)和特定問題下改變局部氣候……黃顯說，他和實(shí)驗(yàn)室的師生將為了這些新目標(biāo)繼續(xù)努力。“風(fēng)起于青蘋之末，未來已來?！?/p>