付靜

材料驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，機(jī)器人領(lǐng)域也因此不斷推陳出新。

用可食用材料做一個(gè)機(jī)器人，大小和外形就和一顆膠囊差不多，這樣的機(jī)器人能食用嗎？如果能吃，你對(duì)它的期待是怎樣的？Q爽彈牙、油而不膩、入口即化……這樣說(shuō)好像和機(jī)器人的“人設(shè)”不太相符。用專(zhuān)業(yè)的話來(lái)說(shuō)，應(yīng)該是：遇熱自動(dòng)伸展，可受磁鐵控制，進(jìn)入體內(nèi)后不僅會(huì)像跳跳糖一樣“尬舞”，還能將誤吞食的電池取出來(lái)。

2016年國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化大會(huì)上，就有這樣一款可食用膠囊機(jī)器人重磅亮相。時(shí)隔4年后，奧地利約翰尼斯·開(kāi)普勒林茨大學(xué)的一組研究人員也發(fā)明了一種可食用機(jī)器人。

制作這款機(jī)器人，使用的是基于食用級(jí)材料明膠的一種通用生物凝膠。在題為《用于制造軟體機(jī)器人等電子產(chǎn)品的有彈性、可完全降解的明膠基生物凝膠》的論文中，研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)介紹了這款機(jī)器人和它背后的神奇材料。

論文中，研究人員開(kāi)門(mén)見(jiàn)山：材料驅(qū)動(dòng)技術(shù)進(jìn)步。

目前，用于軟體機(jī)器人和可拉伸電子器件的生物主要為可降解和生物相容彈性材料，具有一系列特性，如：優(yōu)良的機(jī)械性能、可諧調(diào)性、可變更性、可自愈性。但研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種材料在環(huán)境中并不耐用，無(wú)法將所有特性同時(shí)體現(xiàn)在一個(gè)產(chǎn)品或平臺(tái)中。因此研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種多功能明膠基生物凝膠。這種材料彈力很強(qiáng)，可自我粘附、快速愈合、易于復(fù)制和縮放，能在處理時(shí)完全降解。

據(jù)了解，這種材料完全由天然成分和食品級(jí)安全材質(zhì)構(gòu)成，其中包括：可被人體完全降解的明膠;可阻止細(xì)菌生長(zhǎng)的檸檬酸;可防止細(xì)菌滋生及脫水的甘油。

這里值得一提的是研究人員對(duì)于基本成分的選擇過(guò)程。據(jù)論文介紹，研究人員為確定一種成分，對(duì)多種聚酯纖維和水凝膠成分做了對(duì)比，主要考慮的因素包括使用期限、機(jī)械性能、成本、可加工性、可合成性和降解能力。

經(jīng)對(duì)比，研究人員最后選定了明膠。之所以會(huì)用到明膠，就在于基于明膠的生物凝膠容易得到、無(wú)需合成，可以添加水溶性添加劑。同時(shí)，由于降解速率快，不僅對(duì)環(huán)境無(wú)害，甚至還可食用。

實(shí)際上，很多人對(duì)明膠并不陌生，從膠片、食品、化妝品到藥品，明膠可謂無(wú)處不在。同時(shí)，明膠也已經(jīng)用于藥物遞送和骨組織工程等領(lǐng)域，比如 3D 打印器官和制造機(jī)器人。

為測(cè)試降解能力，研究團(tuán)隊(duì)將制成的生物凝膠片浸入23℃的去離子水中，發(fā)現(xiàn)數(shù)小時(shí)后生物凝膠片便會(huì)溶解。正因如此，研究團(tuán)隊(duì)表示，這種生物凝膠十分適合臨時(shí)安裝和需經(jīng)常更新的場(chǎng)景，一經(jīng)觸發(fā)，將在幾天內(nèi)分解，可在瞬態(tài)裝置中獲益。

除此之外，研究團(tuán)隊(duì)還通過(guò)廢水中微生物的生物需氧量（BOD）來(lái)測(cè)量生物凝膠的完全需氧分解能力。結(jié)果表明，10天可除去60%有機(jī)化合物。因此，基于該團(tuán)隊(duì)研制的生物凝膠，或許研究人員可以開(kāi)辟水中、體內(nèi)生物可降解應(yīng)用的新途徑。

研究團(tuán)隊(duì)在論文中寫(xiě)道：這種生物凝膠向打造持久的、可持續(xù)的軟體機(jī)器人和電子系統(tǒng)邁進(jìn)了一步。

那么，基于上述材料制作出的機(jī)器人是怎樣的呢？外形上，研究人員受到了大象的啟發(fā)。由于明膠可以食用，所以這種生物凝膠還可以用來(lái)給動(dòng)物喂藥，比如制作一個(gè)偽裝成獵物或食物的機(jī)器人。它還可以用來(lái)制造更安全的兒童玩具，不過(guò)，這些電子器件和傳感器目前還不能食用。

當(dāng)然了，不僅是外形類(lèi)似大象，由于集成了可反饋和控制的傳感器，機(jī)器人的象鼻子也能抓住物體。材料上，研究人員在生物凝膠的基礎(chǔ)上，結(jié)合了纖維素、鋅等天然衍生材料。其中，纖維素是一種常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)多糖，被用作動(dòng)態(tài)環(huán)境中的柔性氣動(dòng)生物凝膠致動(dòng)器外骨架。而將生物凝膠與結(jié)構(gòu)化鋅電極相結(jié)合，可使電子皮膚（新型可穿戴柔性仿生觸覺(jué)傳感器）完全降解。

因此，從機(jī)器人原件到可延伸電子設(shè)備，整個(gè)系統(tǒng)都是可生物降解的。研究團(tuán)隊(duì)也稱(chēng)：這為未來(lái)模擬我們自己皮膚的生物醫(yī)學(xué)設(shè)備鋪平了道路。

上文提到，生物凝膠能在廢水中處理時(shí)完全降解，所以可能會(huì)有人質(zhì)疑這款機(jī)器人的機(jī)械性能。考慮到這一點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)也解釋?zhuān)锬z可在環(huán)境條件下保持其機(jī)械性能一年以上;在沒(méi)有失效的情況下，軟制動(dòng)器可承受超過(guò)33萬(wàn)次的循環(huán)。

論文合著者之一Martin Kaltenbrunner曾發(fā)問(wèn)：我們能否同時(shí)開(kāi)發(fā)出一種使用時(shí)非常可靠、觸發(fā)時(shí)又會(huì)完全降解的材料？現(xiàn)在看來(lái)，團(tuán)隊(duì)用其成果給出了答案。

最后，回答一個(gè)重要問(wèn)題，機(jī)器人能食用嗎？根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)的說(shuō)法，雖然生物凝膠可食用，但這款機(jī)器人的電子原件和傳感器目前還不能食用。實(shí)際上，早在2017 年，洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院智能系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室就推出了一款外形酷似軟糖的可食用機(jī)器人，完全可以食用，也是由明膠制成。這種機(jī)器人能夠與營(yíng)養(yǎng)品、藥物等成分混合，被人體消化和代謝，我們可以把機(jī)器人等同于一種食物。可見(jiàn)，這款被稱(chēng)為醫(yī)療黑科技的機(jī)器人是能被我們吃掉的，而在安全性方面，IEEE Spectrum 編輯 Evan Ackerman 的一句話也給我們吃了一顆定心丸：“據(jù)我們所知，截至目前，還沒(méi)有一個(gè)可食用機(jī)器人在被人吃過(guò)以后，自己從人們的胃里爬出來(lái)過(guò)?！?/p>

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醫(yī)療軍事領(lǐng)域成軟體機(jī)器人“發(fā)力點(diǎn)”

除了常見(jiàn)的機(jī)械臂和金屬材料，機(jī)器人領(lǐng)域還有一種用特殊材料制成的軟體機(jī)器人，這類(lèi)機(jī)器人可以模仿生物的移動(dòng)方式，以適應(yīng)各種不同的環(huán)境。與傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人不同，軟體機(jī)器人有很高的靈活性和適應(yīng)性，能在有限的空間里完成復(fù)雜的工作，這些特性讓軟體機(jī)器人廣泛應(yīng)用于醫(yī)療和軍事領(lǐng)域。

軟體機(jī)器人模仿于自然界的許多軟體動(dòng)物，由可以承受大應(yīng)變的柔軟材料制成，且具有多自由度和連續(xù)變換的能力，可在大范圍內(nèi)任意改變身形和尺寸。因?yàn)橹鲃?dòng)變形與被動(dòng)變形能力的結(jié)合，機(jī)器人可以擠過(guò)比自身常態(tài)尺寸小的縫隙，進(jìn)入傳統(tǒng)機(jī)器人無(wú)法進(jìn)入的空間。

從目前來(lái)看，軟體機(jī)器人的落地商業(yè)場(chǎng)景主要是醫(yī)療和軍用場(chǎng)景。智能相對(duì)論（aixdlun）分析師柯鳴認(rèn)為，目前軟體機(jī)器人的發(fā)展前景相當(dāng)可期，學(xué)術(shù)界也正在如火如荼地進(jìn)行著此類(lèi)研究，科學(xué)家們?cè)噲D創(chuàng)造一種不同于傳統(tǒng)機(jī)器人的新型機(jī)器人整體。

從軍事應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，軟體機(jī)器人確實(shí)大有發(fā)展空間?！耙匀峥藙偂钡淖陨眢w質(zhì)可以讓機(jī)器人在收到外界沖擊和破壞時(shí)不易受損，這極大地增強(qiáng)了軟體機(jī)器人的存活能力。此外，由于不具備電子元件，軟體機(jī)器人在電磁偵察系統(tǒng)下容易躲避各類(lèi)設(shè)備的追蹤。未來(lái)，加裝了特定武器的軟體機(jī)器人，可以更便利地承擔(dān)各類(lèi)偵查任務(wù)，甚至可以在特定條件下給敵人以致命一擊。

在醫(yī)療領(lǐng)域，“人小鬼大”的軟機(jī)器人還可以成為醫(yī)生的優(yōu)秀醫(yī)療助手。軟體機(jī)器人的硬度與柔軟度與人類(lèi)皮膚和肌肉較為接近，可穿戴性和皮膚親和性較好。在微創(chuàng)手術(shù)領(lǐng)域，軟體機(jī)器人更是有著極大的“用武之地”。軟體機(jī)器人的應(yīng)用，可以突破傳統(tǒng)微創(chuàng)外科手術(shù)方法的局限，比如，自由度低的手術(shù)設(shè)備對(duì)手術(shù)造成的局限。倫敦大學(xué)研制出剛度可控的章魚(yú)狀外科手術(shù)機(jī)器人手臂，其應(yīng)用仿生原理，根據(jù)手臂機(jī)械性能的需要通過(guò)控制機(jī)械手臂的剛度更好地配合手術(shù)進(jìn)行，柔軟的材質(zhì)將手術(shù)的傷害降到最低。

（編輯 宦菁 huanjing0511@sohu.com）