來源 | 機器人大講堂
原創 | 風雨撫蕖
編輯 | 佳麗、海蛟
導讀
小時候讀葉聖陶老先生的《爬山虎的腳》，不自然的就會被自然界的鬼斧神工所吸引。柔弱的藤本植物本身沒有腳，卻靠着在莖上伸出的六七根細絲，以及細絲前面類似蝸牛的觸角，硬生生達到了攀爬牆壁的效果。而這類觸須，不僅吸引了國内的大文學家，同樣也吸引了國外的機器人科學家們。最近來自意大利技術研究院（IIT）的研究人員為我們帶來了全新的軟體機器人驅動設計方案，并成功的刊登在了頂級期刊《Nature》上。這個方案在原理上與藤本植物的觸須運動（并不完全類似爬山虎的腳）幾乎完全相同。
在最新的Nature Communications電子雜志上，來自意大利技術研究院的研究人員發表了一篇題為《基于可逆滲透緻動的可變剛度卷須狀軟機器人》的論文，向我們展示了世界上第一個模仿植物卷須的軟機器人，為軟體機器人的驅動研發帶來了全新的思路。
論文傳送門：
https://www.nature.com/articles/s41467-018-08173-y
這款軟體機器人的驅動設計靈感完全來自于植物中的水運輸。也完全模仿了植物水分運輸的原理，目前已經能夠像植物一樣進行簡單的卷曲和攀爬。
衆所周知，自然界的植物在一定程度上會發生肉眼可見的運動，這些運動遠不僅是因為植物的生長而發生，其中很大程度是依賴于植物中的滲透壓調節機制來控制，這正是植物運動和水運輸的重要機制。
簡單的來說，滲透壓指的是溶液中溶質微粒對水的吸引力，其大小取決于機關體積溶液中溶質微粒的數目，數目越多滲透壓越大，對水的吸引力也就越大。
對于植物而言，植物細胞的細胞膜可以通過控制細胞内液和細胞外液的離子（也就是微粒）濃度進而控制細胞的形态，例如，如果細胞内液濃度高于外液，細胞就會不斷的吸收外部的水分，這樣細胞就會越變越大，這樣細胞的形态就發生了改變，通過衆多的細胞合力，最終在肉眼上呈現出來的就是植物的運動。
但是，看似簡單的細胞膜是極其複雜的膜系統
是以，IIT采取了另一個方案，用半透膜來代替細胞膜，雖然半透膜無法控制離子的進出，但是卻可以保證在水分透過時部分離子不透過。這時研究人員通過在膜的一側安置電極，通電時就能吸附溶液中的離子，這樣電極一側的溶液濃度就會下降，另一側濃度不變，膜兩側由此産生的滲透壓就會使得水流入電極一側，使得兩側的體積發生變化。
這其中電吸附作用是可逆調節滲透物濃度的關鍵機制，為此研究人員選擇了高比表面積活性炭布電極（ACCE）。這是因為它有着較好的分層結構，結合多孔碳提供的大比表面積，可以産生較大的總電容，進而在通電時容納大量的離子，這樣産生的滲透壓可以帶來足夠明顯的形變。斷電時，測試表明，吸附的離子有90%能都回到溶液中，這樣就使得軟體機器人能夠在斷電後盡可能恢複原樣。
除此之外，研究人員還需要進行數學模組化，計算由上述液壓原理驅動的軟機器人應該有多大的“力”，以避免太慢的運動。
然後，研究人員選用了柔性的PET管制成了軟體機器人，其中包含帶電粒子（離子）的液體。通過使用1.3伏電池，這些帶電粒子被吸引并固定在卷須底部的柔性電極表面上。
當要恢複原樣時，就可以将電池斷開。通過這樣的設計，與植物一樣，研究人員最終實作了軟體機器人的有效驅動，使得軟體機器人像植物一樣運動。
雖然這個機器人目前隻能進行一些簡單的運動，似乎沒有什麼用處，但是這項技術凸顯了對植物進行仿生的巨大技術潛力，突出了植物仿生在開發生物相容性材料和電安全的軟機器人方面的潛力。
在接下來的研究裡，研究人員希望為卷須軟體機器人設計一個管理系統，使得機器人能夠适應周圍環境，識别它所附着的表面，或它所錨定的支撐物，最後實作像真正的攀緣植物一樣的“生長”。
https://v.qq.com/x/page/q084127szom.html
—— 完 ——