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科普|“高分子”机器人？！
2022-07-18 11:28:05
   随着工业自动化和生活智能化的发展，机器人的应用越来越广泛。传统概念中的机器人具有坚硬的外壳，方方正正的躯体。而近年来，随着柔性机器人领域的高速发展，传统机器人的传统概念也随之变化。
柔性机器人通常由高分子材料取代坚硬的金属，比如塑料外壳可以在满足需要强度的同时大幅减轻机器人的重量；柔性机械臂可以抓取易碎的物品；养老照护机器人可以“温柔”地抱起人类…
 
▲ 传统机器人和柔性机器人
 
模块机器人一般由三部分组成：控制器、传感器和致动器。其中控制器是机器人的大脑，传感器相当于五官和神经，而致动器相当于躯干。
 
柔性致动器（机械手，机械臂）
机械抓手或机械臂是用于抓持物品的部件，根据被抓物品的不同特点，科学家设计了包括平行抓持、吸附、针刺等多种方式，应用在机械手上。如今，在汽车和电子产品行业应用的机械臂中，平行抓持方式被广泛应用。
当加持尺寸不确定、材质较软或易碎的物品时，这种平行抓持方式变得比较困难。为了夹持这些物品，科学家用3D打印制备了由高分子弹性体构成的手指状抓手，通过空气压力可以使手指发生弯曲变形，这种抓手可以用于便当中各种食品的自动装盒。
 
▲ 乳柔性抓手在夹持各种食品
 
与人类互动的机器人如果材质坚硬可能会撞伤人类，同时互动过程中会接触各种形状尺寸包括易碎的物品。为了解决这些情况，科学家研制出了一种气动柔性机械手臂，其主要部分由高分子弹性体和编织纤维组成，使用这些材料可以使机械手更容易进行复杂且精细的动作。
 
▲ 气动机械手在空气压作用下变形
 
▲ 柔性机械手和人类互动
 
此外，基于橡胶和有机纤维材料，科学家还研制出一种人工肌肉——可以根据人类的动作提供辅助力量。随着该技术的发展，未来人工肌肉不仅有望帮助更多行走或活动不便的人，而且还能为宇航员、消防员等提供“超人般”的力量。
 
▲ 基于高分子材料的人工肌肉
 
柔性传感器
传感器是可以感知压力、温度等信号，类似于人类的五官的部件。当抓持、接触对象是柔软或易碎的物品或人类时，需要传感器也是柔软的。基于高分子材料，材料科学家们制备了剪切应力、垂直压力、温度等各种柔性传感器。
 
▲ 各种高分子柔性传感器
 
   高分子材料凭借着其多功能性，在柔性机器人领域有越来越多的应用，其他应用包括柔性显示屏、柔性微处理器、柔性太阳能电池等。随着AI和3D打印技术的发展，高分子柔性机器人的未来必将更加光明。