基于液滴和柔性電子技術(shù)的液態(tài)全柔性智能機(jī)器人結(jié)構(gòu)構(gòu)成。

近年來(lái)，在自動(dòng)化需求的強(qiáng)勁帶動(dòng)下，全球掀起了一股機(jī)器人發(fā)展的熱潮，形形色色、各具功能的機(jī)器人產(chǎn)品，開(kāi)始頻繁出現(xiàn)在我們的視野之中。但不管是工業(yè)級(jí)的搬運(yùn)、分揀、切割等機(jī)器人，還是消費(fèi)級(jí)的掃地、醫(yī)療、教育等機(jī)器人，它們“鋼鐵戰(zhàn)士”般的形象不僅拉遠(yuǎn)了與人的距離，還在一定程度上限制了自身的應(yīng)用。在這樣的背景下，“柔性機(jī)器人”概念開(kāi)始逐漸被提出。

柔性電子器件具有超薄、柔性、可延展的“類皮膚”特性，在能源、醫(yī)療、通信等領(lǐng)域擁有廣闊前景。理論上，利用柔性電子技術(shù)研發(fā)的微型“軟體”機(jī)器人可以反復(fù)改變形狀，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、抓取、運(yùn)輸和觸覺(jué)感應(yīng)等功能。柔性機(jī)器人需要具備材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應(yīng)性、超強(qiáng)的安全性，以及良好的人機(jī)互動(dòng)性，需要破除傳統(tǒng)機(jī)器人關(guān)節(jié)的僵硬和材料的剛強(qiáng)，朝著更輕、更軟、更協(xié)調(diào)、更自主的方向發(fā)展，現(xiàn)階段“軟體機(jī)器人”依然面臨“硬傷”，需要依賴傳統(tǒng)的剛性傳感元件和電路，嚴(yán)重阻礙了性能的實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)代社會(huì)的多元化需求急切呼喚“全柔性”機(jī)器人的出現(xiàn)。

近日，天津大學(xué)精儀學(xué)院黃顯教授團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)全球首個(gè)液態(tài)全柔性智能機(jī)器人，有望成為柔性電子產(chǎn)業(yè)和植入醫(yī)療器械的革命性突破。相關(guān)研究成果已經(jīng)發(fā)表于國(guó)際工程和自然科學(xué)領(lǐng)域權(quán)威期刊《尖端科學(xué)》并得到國(guó)家自然科學(xué)基金和天津自然科學(xué)基金等支持。

將液滴與柔性電子相結(jié)合的顛覆性創(chuàng)新思路

在天津大學(xué)精儀學(xué)院，黃顯教授團(tuán)隊(duì)一直有一個(gè)夢(mèng)想?！拔覀兪茄芯咳嵝噪娮蛹夹g(shù)和可穿戴設(shè)備的，這好比一門武功。”黃顯常常對(duì)自己的研究生們這么說(shuō)?！拔覀冞@門武功的最高境界，就是通過(guò)柔性電子技術(shù)，創(chuàng)造一種新形態(tài)的類生命體?！?/p>

多年來(lái)，黃顯一直致力于通過(guò)液滴和柔性電子器件的結(jié)合，創(chuàng)造一種新形態(tài)的類生命體。隨著科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，液滴里可以囊括各種東西，包括細(xì)胞和生命。“我們?nèi)祟惡蛣?dòng)物也是充滿了各種電學(xué)和化學(xué)信號(hào)，比如我們要思考，那就是通過(guò)電學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)變成化學(xué)信號(hào)傳遞出去，在另一個(gè)神經(jīng)元處再次激勵(lì)出電學(xué)信號(hào)和化學(xué)信號(hào)，這樣不斷重復(fù)的過(guò)程。我的心臟要跳動(dòng)，是因?yàn)榇竽X傳遞了信號(hào)給心臟的肌肉細(xì)胞，肌肉細(xì)胞產(chǎn)生電學(xué)信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生了肌肉的收縮。以上的兩個(gè)例子告訴我們，生命的活動(dòng)離不開(kāi)電學(xué)和化學(xué)信號(hào)。”在黃顯看來(lái)，各種細(xì)胞在液滴里通過(guò)電子器件交流結(jié)合，就可以在各種電學(xué)信號(hào)和化學(xué)信號(hào)的交融中顯現(xiàn)生命的本質(zhì)。

“我們希望這種類生命體有自主感知、自主運(yùn)動(dòng)、自主供能的能力，可以變形、可以執(zhí)行各種任務(wù)、可以被人類編程，同時(shí)又比其他軟體動(dòng)物要先進(jìn)得多。”黃顯說(shuō)。

在這樣的思路下，黃顯團(tuán)隊(duì)在研究中發(fā)現(xiàn)：將液滴與柔性電子相結(jié)合是一種全新的構(gòu)建全柔性軟體機(jī)器人的方法，在國(guó)際上尚未有與之類似的研究，具有極大的先進(jìn)性和顛覆性。該方法為全面實(shí)現(xiàn)“復(fù)雜環(huán)境下可獨(dú)立工作的軟體機(jī)器人奠定基礎(chǔ)”。

一個(gè)能“72變”的血管醫(yī)生

《西游記》中孫悟空能夠“72變”，甚至化身一只小蟲(chóng)鉆到妖怪肚子里大顯身手的故事寄托了古人對(duì)于微觀世界的大膽創(chuàng)想。隨著科技發(fā)展，柔性電子技術(shù)有望讓這一神話變成現(xiàn)實(shí)。通過(guò)柔軟材料的利用，驅(qū)動(dòng)方式的創(chuàng)新，人們希望機(jī)器人能夠擁有更好的環(huán)境適應(yīng)性、安全性以及人機(jī)互動(dòng)能力，以此在先進(jìn)制造業(yè)中可以發(fā)揮出更大的價(jià)值。

黃顯教授團(tuán)隊(duì)受自然界柔軟的水母、輪蟲(chóng)等腔腸動(dòng)物和浮游生物的啟發(fā)，利用液滴的柔軟無(wú)定型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(jī)器人。這是一種超小型、全柔性、可編程控制的液態(tài)智能機(jī)器人，能夠在不同環(huán)境條件下實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、變形和傳感測(cè)量。

黃顯團(tuán)隊(duì)的博士生、天津大學(xué)精儀學(xué)院博士研究生周明行告訴記者，這款機(jī)器人長(zhǎng)8毫米，高度不足5毫米，由電子器件和液滴兩部分構(gòu)成（如圖）。液滴可以是水凝膠、水或者油，具體形態(tài)取決于機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)景。由于黃色柔性電子器件僅有1.1毫克，且超薄可彎折，因此可以被液滴攜帶著進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

這種機(jī)器人除了具備良好的運(yùn)動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)能力之外，還搭載了多種傳感器，如溫度傳感器、濕度傳感器、光學(xué)傳感器、應(yīng)力傳感器、葡萄糖傳感器、食品毒素傳感器和無(wú)線能量采集模塊等，未來(lái)可應(yīng)用于基因測(cè)序、化學(xué)合成、藥物遞送等領(lǐng)域，有望成為能進(jìn)入人體檢測(cè)治療的“血管醫(yī)生”，具有十分重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景

據(jù)黃顯教授介紹，傳統(tǒng)的柔性電子器件載體包括人體、動(dòng)物體和其他各種柔性物體，“然而以液滴為載體且跟隨液體共同運(yùn)動(dòng)的柔性機(jī)器人在世界上尚屬首例，液滴與柔性電子的結(jié)合也代表了柔性電子技術(shù)的最新形態(tài)?！?/p>

在未來(lái)，這種新型的液態(tài)全柔性智能機(jī)器人在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域和安全領(lǐng)域也將發(fā)揮自己獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，液態(tài)全柔性智能機(jī)器人在可控藥物釋放以及植入式醫(yī)療機(jī)器人等方面有著巨大的潛力，微型軟體機(jī)器人可以通過(guò)注射方式隨血液進(jìn)入血管，借助傳感元件和包載藥物，對(duì)血液和血管道進(jìn)行測(cè)量，實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)可控藥物釋放等功能。在安全領(lǐng)域，液態(tài)全柔性智能機(jī)器人能進(jìn)入人類無(wú)法進(jìn)入或者危險(xiǎn)的環(huán)境，并對(duì)環(huán)境中物理、化學(xué)和生物等信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，在排險(xiǎn)、探傷、偵查、安全等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

言及未來(lái)，小小的機(jī)器人在黃顯心中，則有著更為宏大的格局：液態(tài)全柔性智能機(jī)器人將在DNA存儲(chǔ)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用；而千千萬(wàn)萬(wàn)個(gè)液滴機(jī)器人進(jìn)入云層，通過(guò)采集光能量，產(chǎn)生熱量，可以改變?cè)茖拥臏囟群蜐穸?，從而在特定地區(qū)和特定問(wèn)題下改變局部氣候……黃顯說(shuō)，他和實(shí)驗(yàn)室的師生將為了這些新目標(biāo)繼續(xù)努力。“風(fēng)起于青蘋之末，未來(lái)已來(lái)。”