遼寧分社正文

液態全柔性智能機器人:從未知而來 向未來走去

光明日報 2019年11月14日 13:46

  近年來,在自動化需求的強勁帶動下,全球掀起了一股機器人發展的熱潮,形形色色、各具功能的機器人產品,開始頻繁出現在我們的視野之中。但不管是工業級的搬運、分揀、切割等機器人,還是消費級的掃地、醫療、教育等機器人,它們“鋼鐵戰士”般的形象不僅拉遠了與人的距離,還在一定程度上限制了自身的應用。在這樣的背景下,“柔性機器人”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、醫療、通信等領域擁有廣闊前景。理論上,利用柔性電子技術研發的微型“軟體”機器人可以反復改變形狀,實現運動、抓取、運輸和觸覺感應等功能。柔性機器人需要具備材料的柔軟性、優良的環境適應性、超強的安全性,以及良好的人機互動性,需要破除傳統機器人關節的僵硬和材料的剛強,朝著更輕、更軟、更協調、更自主的方向發展,現階段“軟體機器人”依然面臨“硬傷”,需要依賴傳統的剛性傳感元件和電路,嚴重阻礙了性能的實現。現代社會的多元化需求急切呼喚“全柔性”機器人的出現。

  近日,天津大學精儀學院黃顯教授團隊成功研發全球首個液態全柔性智能機器人,有望成為柔性電子產業和植入醫療器械的革命性突破。相關研究成果已經發表于國際工程和自然科學領域權威期刊《尖端科學》并得到國家自然科學基金和天津自然科學基金等支持。

  將液滴與柔性電子相結合的顛覆性創新思路

  在天津大學精儀學院,黃顯教授團隊一直有一個夢想。“我們是研究柔性電子技術和可穿戴設備的,這好比一門武功。”黃顯常常對自己的研究生們這么說。“我們這門武功的最高境界,就是通過柔性電子技術,創造一種新形態的類生命體。”

  多年來,黃顯一直致力于通過液滴和柔性電子器件的結合,創造一種新形態的類生命體。隨著科學技術飛速發展,液滴里可以囊括各種東西,包括細胞和生命。“我們人類和動物也是充滿了各種電學和化學信號,比如我們要思考,那就是通過電學信號轉變成化學信號傳遞出去,在另一個神經元處再次激勵出電學信號和化學信號,這樣不斷重復的過程。我的心臟要跳動,是因為大腦傳遞了信號給心臟的肌肉細胞,肌肉細胞產生電學信號,進而產生了肌肉的收縮。以上的兩個例子告訴我們,生命的活動離不開電學和化學信號。”在黃顯看來,各種細胞在液滴里通過電子器件交流結合,就可以在各種電學信號和化學信號的交融中顯現生命的本質。

  “我們希望這種類生命體有自主感知、自主運動、自主供能的能力,可以變形、可以執行各種任務、可以被人類編程,同時又比其他軟體動物要先進得多。”黃顯說。

  在這樣的思路下,黃顯團隊在研究中發現:將液滴與柔性電子相結合是一種全新的構建全柔性軟體機器人的方法,在國際上尚未有與之類似的研究,具有極大的先進性和顛覆性。該方法為全面實現“復雜環境下可獨立工作的軟體機器人奠定基礎”。

  一個能“72變”的血管醫生

  《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想。隨著科技發展,柔性電子技術有望讓這一神話變成現實。通過柔軟材料的利用,驅動方式的創新,人們希望機器人能夠擁有更好的環境適應性、安全性以及人機互動能力,以此在先進制造業中可以發揮出更大的價值。

  黃顯教授團隊受自然界柔軟的水母、輪蟲等腔腸動物和浮游生物的啟發,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,構建了一種全新的“智能液滴”——液態全柔性智能機器人。這是一種超小型、全柔性、可編程控制的液態智能機器人,能夠在不同環境條件下實現運動、變形和傳感測量。

  黃顯團隊的博士生、天津大學精儀學院博士研究生周明行告訴記者,這款機器人長8毫米,高度不足5毫米,由電子器件和液滴兩部分構成(如圖)。液滴可以是水凝膠、水或者油,具體形態取決于機器人的應用場景。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行運動。

  這種機器人除了具備良好的運動和環境適應能力之外,還搭載了多種傳感器,如溫度傳感器、濕度傳感器、光學傳感器、應力傳感器、葡萄糖傳感器、食品毒素傳感器和無線能量采集模塊等,未來可應用于基因測序、化學合成、藥物遞送等領域,有望成為能進入人體檢測治療的“血管醫生”,具有十分重要的科學意義和應用價值。

  在生物醫學領域和安全領域有廣泛應用前景

  據黃顯教授介紹,傳統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動的柔性機器人在世界上尚屬首例,液滴與柔性電子的結合也代表了柔性電子技術的最新形態。”

  在未來,這種新型的液態全柔性智能機器人在生物醫學領域和安全領域也將發揮自己獨有的優勢。在生物醫學領域,液態全柔性智能機器人在可控藥物釋放以及植入式醫療機器人等方面有著巨大的潛力,微型軟體機器人可以通過注射方式隨血液進入血管,借助傳感元件和包載藥物,對血液和血管道進行測量,實現定點可控藥物釋放等功能。在安全領域,液態全柔性智能機器人能進入人類無法進入或者危險的環境,并對環境中物理、化學和生物等信號進行檢測,環境適應能力強,在排險、探傷、偵查、安全等領域具有廣泛的應用前景。

  言及未來,小小的機器人在黃顯心中,則有著更為宏大的格局:液態全柔性智能機器人將在DNA存儲領域發揮巨大作用;而千千萬萬個液滴機器人進入云層,通過采集光能量,產生熱量,可以改變云層的溫度和濕度,從而在特定地區和特定問題下改變局部氣候……黃顯說,他和實驗室的師生將為了這些新目標繼續努力。“風起于青蘋之末,未來已來。”

  (本報記者 陳建強 劉茜 本報通訊員 焦德芳)

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