仿生软体机器人又出新花样：鳗鱼的外表和弹簧一样的身体
近日，巴塞罗那科技大学的研究人员开发了一种基于骨骼肌的生物混合型软体机器人。在爆发模式下，该机器人一秒钟就能游出自己 3 倍身长的距离。
该研究团队在发表于 Science 子刊 Science Robotics 上的论文中，描述了他们开发和测试软机器人的过程。
图 | 相关论文（来源：IBEC）
鳗鱼的外表和弹簧一样的身体
为了不断提高软体机器人的性能，科学家们开始将目光投射到动物组织一类的“天然材料”。其中，骨骼肌和心脏肌肉的利用颇受欢迎。
不过，骨骼肌和心脏肌肉各有利弊。通常情况下，基于骨骼肌的软体机器人灵活度较低、力度较弱。而此次西班牙研究人员通过特特殊设计克服了这两个问题，让他们的仿生软体机器人具有更高的灵活性和可变形性，并对环境具有更高的适应性，从而使本次软体机器人在水中能比同类机器人游得更快。
研究人员以鳗鱼为原型，为机器人设计出一个蛇形弹簧骨架，并不断优化它的形状以达到更为仿真的效果。优化后，研究人员采用了一种叫做聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的有机硅物料，通过 3D 打印将这一骨骼框架制作了出来。
据悉，该机器人身长约 260 微米，在受到电刺激时可进行移动，其中电荷会使肌肉收缩，从而压缩内部的骨骼弹簧。
图 | 蛇形仿生机软体机器人（来源：IBEC）
通过放电刺激，机器人的骨骼肌会收缩，从而可压缩内部骨骼弹簧，在接触电荷刺激后，弹簧中的能量被释放，如此便可推动机器人前进。
这个过程就像人们手动压缩弹簧再释放一样，只不过将动力源从人手换成了电流，这种设计使得机器人只能在一个方向上移动。
此外，据研究人员介绍，该仿生机器人具有两种运动模式：滑行和爆发。
通过模拟在溪流中缓慢游行的小鱼，机器人可以开启滑行模式。而在爆发模式下，软体机器人可迅速从静止状态切换到快速运动状态，并能达到每秒 800 微米的速度，该速度比其他基于骨骼肌制作的仿生机器人要快得多。
研究员表示，目前只有基于心脏肌肌肉的仿生机器人才可比拟这种速度。他们认为这一设计可以为其他新型混合动力的机器人带来更高强度的输出，使得机器人在水中有更快速的移动能力，亦或在工作中有更强大的表现力。
图 | 蛇形仿生机软体机器人（来源：IBEC）
从水母到鳗鱼：机器人“无所不仿”
几千年以来，生物系统在不断发展着其复杂的自组织机制，以此来达到感知和自我修复的目的。近年来，机器人专家们开始从生物的行为中汲取灵感，不断模仿它们的复杂行为。
材料的不断发展，使得人们可通过仿造一些简单的生物去制备机器人。这些模拟简单生物的机器人能完成爬行、抓握等动作。但是，合成材料制成的仿生机器人仍无法完美复刻精巧绝伦的生物体构造，以及具有等级结构的肌肉组织为生物带来的高强度的输出能力。
此时，“天然材料”登场，科学家们同时开始混搭人造材料，发挥人造和天然的各自优势，开启了混合材料的仿生机器人制造。
近年来，聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 也被用于骨骼肌仿生机器人的结构制作中，尤其是在模仿一些水生动物时。这种材料无毒、不易燃、透明，具有结构高弹性 （structural flexibility） 和疏水性 （hydrophobic），是一种惰性物质。聚二甲基硅氧烷制作程序便捷，成本低廉，在隐形眼镜、润滑剂中都有应用。
早在 2013 年，美国科学家就研发出了一款名为 “Cyro” 的水母机器人。Cyro 是美国海军水下作战中心和海军研究办公室出资的一项计划的研究成果。这项计划共投入 500 万美元，旨在开发机器人执行水下监视和海洋环境监测任务。
“Cyro” 的名字来源于霞水母 “Cyanea capillata”，它由厚硅树脂材料制成，摸起来会有黏糊糊的触感，体积只有人类的一个手掌大，约 77 公斤重，由一块可充电的镍氢电池提供动力。它能独立地在水中游动，并对敏感数据进行收集、存储和分析。据当时媒体报道，“Cyro” 若被军方用作水下间谍，其能力会让 007 也自叹不如。
Cyro 的“大脑”是位于其中部的一个控制盒，研究人员表示之后还会在它身上安装摄影机和其他监测设备。
图 | 仿生机器水母（来源：Bugbot）
此项研究的参与人之一、弗吉尼亚理工大学的机械工程系博士生亚历克斯-维拉努瓦 （Alex Villanueva） 博士表示，工作人员可以事先对 Cyro 进行编程，这样它就可以在水中按照预先设定的程序来执行任务。
维拉努瓦博士说道：“水母的一个巨大优势就是欺骗性，它们是一种你不会感到威胁的动物。如果我看到一个机器鲨鱼和一个机器水母，我一定更提防机器鲨鱼，而不是机器水母。”
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参考：
https://techxplore.com/news/2021-04-biohybrid-soft-robot-self-stimulating-skeleton.html
https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe7577
https://phys.org/news/2013-03-unveil-large-robotic-jellyfish-day.html