全球首例完全自主運動的軟體機器人"網紅八爪魚"
描述☁◕·•：哈佛大學在仿生機器人上又取得突破性成果✘☁↟✘，發明了首個全自動的章魚仿生機器人“八爪怪”☁╃↟·↟。這是全球首例完全柔性▩│•╃、完全自主運動▩│•╃、自帶燃料▩│•╃、無需電池的軟體機器人✘☁↟✘，不包含任何剛性電子元件如電池或計算機晶片等✘☁↟✘，並且其運動無需連線計算機☁╃↟·↟。具有軟萌的章魚哥外形✘☁↟✘，又具備翩翩起舞的運動能力✘☁↟✘，轟動一時✘☁↟✘，堪稱機器人界的“網紅”☁╃↟·↟。
哈佛大學在仿生機器人上又取得突破性成果✘☁↟✘，發明了首個全自動的章魚仿生機器人“八爪怪”☁╃↟·↟。這是全球首例完全柔性▩│•╃、完全自主運動▩│•╃、自帶燃料▩│•╃、無需電池的軟體機器人✘☁↟✘，不包含任何剛性電子元件如電池或計算機晶片等✘☁↟✘，並且其運動無需連線計算機☁╃↟·↟。具有軟萌的章魚哥外形✘☁↟✘，又具備翩翩起舞的運動能力✘☁↟✘，轟動一時✘☁↟✘，堪稱機器人界的“網紅”☁╃↟·↟。
雖然看起來很像小孩子生日聚會上禮品袋裡的玩具✘☁↟✘，但“八爪怪”仿生機器人卻無疑代表了機器人技術驚人的進步☁╃↟·↟。隨著“八爪怪”進一步的完善✘☁↟✘，在未來將有望被應用於海洋探測與救援▩│•╃、海水溫度檢測甚至軍事勘測等諸多領域☁╃↟·↟。
為了讓大家更加了解科學家是如何製造出“八爪怪”軟體機器人✘☁↟✘，DT君走進了哈佛大學詹尼弗·劉易斯(Jennifer Lewis)實驗室☁╃↟·↟。
廢話不多說✘☁↟✘，我們先來圖解“八爪怪”的製造過程☁◕·•：
研究人員稱量製作“八爪怪”身體的矽酮混合物
研究人員準備用於3D列印的鉑金屬墨水
自制的章魚形狀模具✘☁↟✘，用於構造“八爪怪”的身體☁╃↟·↟。
“八爪怪”的中心是一個柔性微流控晶片✘☁↟✘，作為機器人的“大腦”✘☁↟✘，控制所有八個觸手的運動☁╃↟·↟。
第一步✘☁↟✘，將矽酮混合物倒入章魚模具✘☁↟✘，覆蓋晶片☁╃↟·↟。
然後✘☁↟✘，3D印表機在矽酮樹脂中列印兩種墨水線條☁◕·•：鉑金屬墨水用於與“燃料”雙氧水反應形成驅動機器人觸手運動的氣體;另一種墨水將作為犧牲層✘☁↟✘，在烘烤步驟蒸發掉✘☁↟✘，在機器人身體內部形成中空的管道✘☁↟✘，用於氣體流通☁╃↟·↟。
用來製作“八爪怪”的全套工具和模具✘☁↟✘，研究人員嘗試了300多次才成功實現自主運動的“八爪怪”☁╃↟·↟。
植入“八爪怪”身體中央的微流控晶片的細節特寫圖☁╃↟·↟。
製作章魚形狀模具的裝置
通常✘☁↟✘，“八爪怪”本體是無色的✘☁↟✘，有時用一些顯眼的染料來表明結構☁╃↟·↟。
這裡顯示的不同顏色標明瞭氣體透過“八爪怪”的通路✘☁↟✘，用於交替控制其四隻觸手✘☁↟✘，幫助其進行移動☁╃↟·↟。“八爪怪”機器人大約2英寸長☁╃↟·↟。
這張圖是瞎拍著玩兒的✘☁↟✘，“八爪怪”在黑暗中能發光
該實驗室的研究生瑞安·特魯比(Ryan Truby)表示☁◕·•：“所有的部分都是自主製作的”☁╃↟·↟。其中✘☁↟✘，“八爪怪”軟體機器人材料部分的研究正是在該實驗室進行的✘☁↟✘，而“八爪怪”的章魚形狀模具和微流控晶片則是由羅伯特·伍茲(Robert Woods)實驗室研發的☁╃↟·↟。製作“八爪怪”的材料就是很多微流控實驗室中常用的材料✘☁↟✘，但是研究者嘗試了300多次實驗才得到最佳的“配方”☁╃↟·↟。
首先✘☁↟✘，研究者將微流控晶片放入自制的章魚形狀模具中;然後✘☁↟✘，向空模具中注入矽酮(聚矽氧烷)混合物✘☁↟✘，覆蓋晶片;最後✘☁↟✘，研究者利用3D印表機在矽酮材料中列印兩種墨水線條✘☁↟✘，然後烘烤四天☁╃↟·↟。烘烤將使得整個章魚形狀密封✘☁↟✘，並使其中列印的兩種墨水之一蒸發掉✘☁↟✘，只留下中空的導管✘☁↟✘，最終用於使氣壓流過並控制其運動☁╃↟·↟。
說起機器人✘☁↟✘，大多數人首先聯想到的一般是電影《終結者》或者《變形金剛》裡的形象✘☁↟✘，而在現實生活中✘☁↟✘，大多數“機器人”也確實都由金屬材料組成☁╃↟·↟。然而現在越來越多的科學家們對柔性非常高的“軟體機器人”產生了興趣☁╃↟·↟。
軟體機器人具有很多優點✘☁↟✘，它們製造工藝簡單✘☁↟✘，能夠用3D列印完成✘☁↟✘，材料價格相對低廉✘☁↟✘，此外由於柔性高✘☁↟✘，在狹窄的工作環境中可以發揮出獨有的優勢☁╃↟·↟。
然而✘☁↟✘，到目前為止✘☁↟✘，所有的軟體機器人都存在著一個巨大的問題✘☁↟✘，那就是由於供能和控制部分通常需要外接✘☁↟✘，以確保機器人的整體柔性☁╃↟·↟。因此機器人在移動時都會拖著長長的管子或者電線✘☁↟✘，嚴重地影響了自身活動的“自由性”☁╃↟·↟。
“八爪怪”則巧妙地解決了這一問題✘☁↟✘，它在保持柔性的同時集成了需要的一切✘☁↟✘，包括了運動器(actuator)✘☁↟✘，控制系統和功能系統✘☁↟✘，因此可以完全“自由”地活動☁╃↟·↟。
邏輯電路與電路板相似✘☁↟✘，可以自動控制動力
解決這一問題的核心關鍵在於如何建造一個柔性的能量供給和動力輸出系統✘☁↟✘，哈佛大學的工程師們給出的答案是這樣的——我們不用電池✘☁↟✘，而是直接用“燃料”☁╃↟·↟。
章魚機器人內部反應室的整體驅動單元的上半部分✘☁↟✘，以及一個觸手內的驅動過程☁╃↟·↟。展示了微流控制技術將液體注入與排空的原理☁╃↟·↟。
所以說✘☁↟✘，雖然“八爪怪”外表十分軟萌可愛✘☁↟✘，其本體實際上相當於一個氣動導管✘☁↟✘，實質上是透過氣壓控制其運動☁╃↟·↟。
為了實現“八爪怪”的自主移動✘☁↟✘，研究者使用的就是醫院常用的消毒劑——高濃度的雙氧水(化學名稱為過氧化氫)☁╃↟·↟。科學家們以50%濃度的過氧化氫水溶液為燃料✘☁↟✘，鉑金屬為發動機(實際上是催化劑✘☁↟✘，為了達到更好的催化效果✘☁↟✘，實際採用的是鉑金屬粉末)☁╃↟·↟。
50%質量比的過氧化氫在鉑金屬粉末的催化下迅速釋放氧氣
研究者將雙氧水透過導管泵入其身體中央的內部腔室✘☁↟✘，最終與內部設計的鉑金屬線相接觸而發生化學反應✘☁↟✘，產生氣體☁╃↟·↟。氣體從這裡膨脹並透過稱為微流體控制器的微型晶片✘☁↟✘，驅動“八爪怪”的觸手運動☁╃↟·↟。
整個過程中交替地釋放氣體✘☁↟✘，分別控制“八爪怪”一半的觸手上下移動和遊動✘☁↟✘，看起來就像翩翩起舞☁╃↟·↟。據稱✘☁↟✘，消耗一毫升的雙氧水燃料✘☁↟✘，“八爪怪”能夠移動大約八分鐘☁╃↟·↟。
然而✘☁↟✘，“八爪怪”還遠非完美☁╃↟·↟。目前“一罐”燃料的使用時間大概在4-8分鐘之間✘☁↟✘，而機器人自主轉向的能力則幾乎為零☁╃↟·↟。
章魚機器人內部的微流體邏輯電路 圖片來源☁◕·•：哈佛大學
目前✘☁↟✘，科學家們正在製造不同大小的“八爪怪”以確定最佳尺寸和身體各部件的比例✘☁↟✘，此外✘☁↟✘，還會加裝額外的感知器讓機器人自主感應環境✘☁↟✘，以實現自動規避障礙物☁╃↟·↟。
其實✘☁↟✘，“八爪怪”的設計是有意遵循極簡主義✘☁↟✘，只是為了演示完全有能力製作這種新型軟體機器人☁╃↟·↟。但無論如何✘☁↟✘，雖然還缺少感知和程式設計能力✘☁↟✘，“八爪怪”完全柔性▩│•╃、完全自主的運動特性已經足夠驚豔了☁╃↟·↟。
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