近年來(lái)，對(duì)有機(jī)生命體復(fù)雜的響應(yīng)、運(yùn)動(dòng)機(jī)制的探索促進(jìn)了軟體機(jī)器人的研究和發(fā)展。相比于傳統(tǒng)的硬機(jī)器人，由柔性材料、軟物質(zhì)材料組成的軟體機(jī)器人展現(xiàn)出了連續(xù)的身體變形以及復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式，同時(shí)也為人機(jī)交互提供了多樣化的、安全的操作界面。然而，目前的研究主要集中在驅(qū)動(dòng)變形、運(yùn)動(dòng)模式的操控，所開(kāi)發(fā)的機(jī)器人只有有限的或者沒(méi)有對(duì)自身和環(huán)境的感知能力，這阻礙了其進(jìn)一步面向精細(xì)人工智能機(jī)器人的發(fā)展。要賦予小尺寸軟體機(jī)器人以知覺(jué)，其中最大的挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)一個(gè)高度集成的傳感、驅(qū)動(dòng)機(jī)制。
基于以上研究背景，新加坡國(guó)立大學(xué)的Ghim?Wei Ho教授課題組開(kāi)發(fā)了一種光驅(qū)動(dòng)薄膜機(jī)器人，其中厚度不超過(guò)115 μm的復(fù)合材料薄膜緊湊集成了壓阻式應(yīng)變傳感器、熱電溫度傳感器以及光驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)獨(dú)立的傳感器電極設(shè)計(jì)使得這個(gè)薄膜機(jī)器人在持續(xù)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中可以同步地輸出身體變形和溫度信號(hào)，設(shè)計(jì)機(jī)理如圖1所示。
研究人員采用了剪紙技術(shù)和3D打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了程序化設(shè)計(jì)復(fù)雜多樣的二維到三維的驅(qū)動(dòng)變形、定制不同的機(jī)器人模型以及選擇性地打印電阻傳感器電路，機(jī)器人模型的尺寸可以小到1cm，如圖2所示。
研究人員進(jìn)一步設(shè)計(jì)了三種機(jī)器人模型，包括行走機(jī)器人、擬人化手模型和不接線的蜈蚣，展示了可定制的軟體機(jī)器人在不同應(yīng)用環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)和感知性能。行走機(jī)器人可以在光控制下持續(xù)前行，并且實(shí)時(shí)輸出自身各種行走步態(tài)信號(hào)，包括身體的彎曲伸展、步子大小快慢、姿勢(shì)保持狀態(tài)以及被障礙物絆到等。此外，通過(guò)分析機(jī)器人在不同粗糙度基底上行走的時(shí)間-電阻變化波形，我們可以得到基底的表面粗糙度信息（圖3）。
手模型具有真人手的尺寸和比例，每個(gè)手指可以獨(dú)立地彎曲活動(dòng)，相應(yīng)的電阻變化信號(hào)提供動(dòng)作信息；當(dāng)手指接觸外界冷熱物體時(shí)，熱電電壓隨著溫度的變化發(fā)生震蕩；此外，在相同的光驅(qū)動(dòng)條件下，用食指和拇指去捏相同尺寸不同軟硬度的物體時(shí)，通過(guò)食指電阻的變化大小可以很好地區(qū)分出幾種材料的相對(duì)軟硬度（如圖4所示）。
最后，結(jié)合近場(chǎng)通訊（NFC）技術(shù),我們嘗試去除薄膜機(jī)器人的電極接線，實(shí)現(xiàn)了不接線的模型蜈蚣向前爬行、轉(zhuǎn)身，并且蜈蚣敏感的觸角可以無(wú)線感應(yīng)光照強(qiáng)度、風(fēng)速以及人的觸碰信號(hào)，如圖5。
以上工作以《Somatosensory, Light-Driven, Thin-Film Robots Capable of Integrated Perception and Motility》為題在線發(fā)表在期刊Advanced?Materials。論文第一作者為汪曉巧博士，通訊作者為Ghim Wei Ho教授，通訊單位為新加坡國(guó)立大學(xué)。
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