液滴遇上柔性電子，讓機器人實現(xiàn)“72變”

《西游記》中孫悟空“72變”化身小蟲，鉆到妖怪肚子里大顯身手的故事，表現(xiàn)了古人對于微觀世界的大膽創(chuàng)想。近日，天津大學精儀學院黃顯教授團隊成功研發(fā)全球首個液態(tài)全柔性智能機器人，能“72變”的“血管醫(yī)生”讓神話成為現(xiàn)實。相關(guān)研究成果近期發(fā)表于國際工程和自然科學領(lǐng)域權(quán)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。

目前軟體機器人存在“硬傷”

如今機器人技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到各個領(lǐng)域，有一類機器人可以根據(jù)所處的地理環(huán)境，自由改變其結(jié)構(gòu)和外觀，具有運動能力、變形能力和傳感測量能力，這類機器人被稱為無定形軟體機器人。

“這類機器人是基于柔性電子器件所具有的超薄、柔性、可延展的類皮膚特性，利用柔性電子技術(shù)研發(fā)的微型軟體機器人，不僅可以反復改變形狀，還實現(xiàn)了運動、抓取、運輸和觸覺感應(yīng)等功能?！秉S顯教授團隊成員、博士研究生周明行介紹，其在生物醫(yī)學領(lǐng)域和安全領(lǐng)域有著自己獨有的優(yōu)勢。在生物醫(yī)學領(lǐng)域，無定形軟體機器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)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，對血液和血管進行測量，實現(xiàn)定點可控藥物釋放等功能。在安全領(lǐng)域，無定形軟體機器人能進入人類無法進入或者危險的環(huán)境，并對環(huán)境中的物理、化學和生物等信號進行檢測，環(huán)境適應(yīng)能力強，在排險、探傷、偵查、軍事安全領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

“不過現(xiàn)階段，已有的或者在研的軟體機器人依然存在著一些‘硬傷’?！敝苊餍薪忉?，這是因為，目前柔性電子器件主要貼附于或者集成在有機體、機器和電子產(chǎn)品上工作，依附物往往位置固定，活動范圍受限。部分軟體機器人雖然可以實現(xiàn)運動、抓取、運輸和觸覺感應(yīng)等功能，但這些功能的實現(xiàn)主要依賴于傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，還沒有做到機體和功能電路的全柔性構(gòu)造，嚴重阻礙了性能的實現(xiàn)，比如普通軟體機器人無法進入或者通過狹窄的血管、縫隙。這就需要全柔性、無固定形態(tài)，像液體一樣的機器人出現(xiàn)，來滿足這種需求。

“智能液滴”有望成為血管醫(yī)生

怎么才能制成全柔性的機器人呢？黃顯團隊受自然界水母、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形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)全柔性智能機器人，首次實現(xiàn)了軟體機器人運動載體和功能測量器件的全柔性化和可編程控制。

周明行介紹，團隊基于微納加工技術(shù)制作出超?。ê穸刃∮?0微米，相當于頭發(fā)絲的十分之一）多功能柔性電子器件，利用液滴浮力和表面張力等特性，將柔性電子器件懸浮于液滴表面，通過改變液滴種類和器件設(shè)計，實現(xiàn)在不同環(huán)境和控制條件下“智能液滴”的運動、變形和傳感測量等功能。

這種“智能液滴”可以將電子器件投遞至目標指定位置并完成功能組裝。周明行說：“我們通過在水液滴中摻入四氧化三鐵納米顆粒，利用磁場控制，使‘智能液滴’可以以226厘米/分鐘的速度進行可編程化運動。在運動過程中，遇到細小夾縫、凸起表面時，‘智能液滴’可隨意變形通過障礙物，到達指定位置后恢復原狀?！?/p>

當遇到需要多種功能的“智能液滴”的情況時，為了不增加整體大小，還可以把每種功能分別制作成“智能液滴”。一是這些“成員”到達指定地點，利用三維磁場操控，就能把它們組裝集成起來。

液滴和柔性電器器件結(jié)合是一種全新的構(gòu)建全柔性軟體機器人的思路、方法，該方法為全面實現(xiàn)復雜環(huán)境下可獨立工作的軟體機器人奠定基礎(chǔ)。周明行表示，這種方法給時間和勞動消耗型研究帶來了便利。高通量可編程控制的特點，使其可應(yīng)用于基因測序、化學合成、藥物遞送和微組裝等需要精確操控和持續(xù)檢測領(lǐng)域，有望成為能進入人體檢測治療的“血管醫(yī)生”，具有十分重要的科學意義和應(yīng)用價值。