美国马里兰大学的一组研究人员利用 3D 打印技术，实现了单次打印出具有集成流体回路的软体机械手。这只机械手足够柔软灵活，甚至可以用来玩《超级马里奥兄弟》游戏，而且还打赢了。
软体机器人不需要金属来制作，其内部也没有任何电子装置，而是由一些较为柔软的材料制成本体，并由水或空气提供动力。软体机器人具有极强的适应能力和较高的安全性，所以人们希望能够将它用于假肢或生物医学领域。但是，控制并使用软体机器人一直是一件较为困难的事，而马里兰大学的这项研究将改变这一现状。
这项研究于 7 月 14 日登上了 Science Advances 杂志的封面，论文题目为《Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry》。
▲ Science Advances 杂志封面
论文链接：https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257
会玩超级马里奥的机械手让科研更有趣
软体机器人与传统机器人不同，它不需要金属等材料，而是利用较为柔软的材料制作本体。它的身体内也不包含任何电子装置，而是利用水或空气等驱动。软体机器人的特性让它能够适应各种非常规环境，并且与人类的交互也更安全。不过与传统机器人相比，软体机器人也更加难以控制。
“以前，软体机械手的每个手指通常都需要自己的控制线，这会限制它的便携性和实用性。但是我们通过 3D 打印制作出来集成流体晶体管的机械手克服了这一点，它甚至可以根据输入的压力值来玩游戏。”论文的共同第一作者 Joshua Hubbard 说。
▲ 正在玩超级马里奥兄弟的机械手
该团队设计了一个集成的流体回路，可以让机械手的手指根据单个控制压力的强度进行操作。比如，施加较低的压力可以让食指按压游戏手柄控制马里奥行走，施加较高的压力可以控制马里奥跳跃等。在设定程序的引导下，流体回路在关闭、低压、中压、高压之间切换，机械手便能够在控制下按下游戏手柄上的按钮，在 90 秒内完成超级马里奥兄弟的第一关。
由于游戏的各项关卡有较明确的时间点，且只要出现错误就会导致游戏结束，因此玩超级马里奥兄弟成了评估软体机器人性能的新方法。这项独特的挑战方式让这项科学研究充满了乐趣。
▲ 软体机械手程序的设定
3D 打印让软体机器人的制作变得更简单
在过去的研究中，有些研究者试图利用流体回路来增强软体机器人的自主性，但是构建这些流体回路并将其与机器人集成可能需要数天到数周的时间，并且对于技术水平、制作工艺等多方面都有较高的要求。
为了克服这些障碍，马里兰大学的研究团队采取了一种新策略，转向使用多材料“PolyJet 3D 打印”技术，在单次打印中增材制造具有完全集成流体回路的统一软体机器人系统。
在制造开始前，研究团队利用 CAD 软件设计和组装模块化组件，如流体回路元件、互联件、接入端口、软体机器人执行器及结构构件等，以生成具有完全集成流体回路的软体机器人 3D 模型。
PolyJet 打印是一种材料喷射的过程，在这个过程里多种光反应性材料和牺牲性支撑材料被并行分配，以逐行、逐层的方式生产出 3D 对象。利用这种方式，研究团队只需在一天时间内进行很少的工作就可以得到一个随时可用的完整的软体机器人。
▲ 利用 3D 打印制作软体机器人乌龟过程示意图
为研究软体机器人，研究团队造了两只乌龟一只手
研究团队针对传统电信号的流体模拟，设计制作了三个具有不同集成流体回路的软体机器人。
一个是在恒流输入（类似于直流电信号）条件下运动的软体机器人乌龟，在这种条件下，乌龟的鳍肢实现了连续的周期性的运动。另一个是在正弦输入（类似于交流电信号）条件下运动的软体机器人乌龟，这种条件下，乌龟的鳍肢实现了类似于游泳一样的运动。
▲ 软体机器人乌龟的鳍肢在进行周期性运动
第三个是在预编程的非周期性输入（类似于可变电流）条件下运动的软体机械手。该机械手的手指由仿生材料制成，利用两种材料的刚度差异模拟人类手指的弯曲行为。手指的非弯曲部分及其内部使用由刚性材料打印的流体通道，而手指的关节部分使用的是由柔顺材料打印的非对称的波纹软管。当关节充气膨胀时，较大的顶部膨胀会导致指尖向下运动施力。
研究团队正是利用这个工作原理，当机械手工作时，连接至对应手指的输入源根据预先编订的程序来驱动手指产生不同力度的运动，从而实现操控游戏手柄通过超级马里奥兄弟游戏的第一关。
不过研究者也发现，与给电子电容器充电或放电的过程类似，软关节组件在执行充气和放气过程时也会出现时间上的延迟，因此在设计程序时需将这个因素考虑在内。
▲ 软体机械手工作原理及工作过程示意图
为了让机械手更有用，研究团队将项目开源
该团队已将这一项目开源，任何人都可以阅读这篇论文。这项工作中的所有电子设计文件都被该团队上传至开源社区 GitHub，链接被作为补充材料放进了论文（上文有论文链接）。
“我们免费共享我们所有的设计文件，任何人都可以轻松下载，并按需修改或打印我们工作中的所有软体机器人和流体回路元件。我们希望这种开源策略能让这种具有集成流体回路的软体机器人具有更高的可访问性、易传播性、可重复性和更广的采用范围，从而加速该领域的进步。”马里兰大学机械工程助理教授 Ryan D. Sochol 说。
目前，该团队正在探索将他们的技术用于生物医学应用，包括康复设备、手术工具、可定制假肢等。
结语：控制难题被解决，软体机器人落地应用将加快
软体机器人的概念已经出现十多年，然而如何有效的控制软体机器人的运动仍是一项较大的难题。马里兰大学的这项研究证明了通过流体回路能够有效控制软体机器人的运动，并且通过 3D 打印大大降低了集成流体回路的软体机器人的制作门槛。
得益于其自身的特性，软体机器人在医疗健康、抢险救灾、工业制造等领域有着较为广泛的应用前景。马里兰大学的研究团队将其研究成果开源，将有利于软体机器人研究的进一步发展，进而促进软体机器人在各个领域的落地与应用。
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