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機械八爪魚 – 軟體機械人的突破

 

我們常常看到的機械人或機械臂,其功用主要是取代或協助人類完成某些工作。設計機械人的時候,科學家一般得到人體或其他動物骨骼的啟發,加上關節的控制使機械人移動。但是一般機械人的設計包含零件如電路控制板或電池,這些「硬」零件無可避免使機械人也有其限制,例如在一些地形比較顛簸的環境和狹窄的間隙,「硬體」機械人便未必能發揮所長。

因此科學家嘗試模仿毛蟲、八爪魚等軟體動物的身體構造而設計出「軟體」機械人,目的是希望能做到「硬體」機械人未能做到的伸展或扭曲等動作,使其在狹小的空間也可以靈活移動。

早陣子在網上看到一段短片,拍攝了一隻大型八爪魚從漁船上一個非常小的排水口逃出大海,不禁驚歎這種全身沒有骨頭的無脊椎動物的靈活性。要發明全自動軟體機械人,在操作上其實有一定難度,因為這些硬零件都需要由軟零件代替。

最近哈佛大學的科學家 Wehner et al. 便突破了這個界限。他們能製造出以八爪魚為模型的全自動軟體機械人。與之前機械魔鬼魚所利用光學導向和心臟細胞起跳而移動的原理不同,機械八爪魚移動的原理主要利用微流控 (microfluidics-即微量的液體流動)、氣動式設計、化學反應以及不同物料的運用令八隻爪自動郁動。

可能你從短片裏只是看到看似簡單一上一下的動作,也沒有甚麼大不了。但其設計背後包含了生物學、材料科學、化學等不同科學知識的範疇,經過30個設計及300個模型試驗才能得到這成果。

機械八爪魚是如何運作的呢?

首先,科學家利用3D打印技術造出八爪魚的雛型,不同彈性的聚合物(polymer) 形成八爪魚的不同部份,例如像肌肉和皮膚一樣的內外層,以及像血液一樣的流動液體。八爪魚的頭有兩組相同的液體燃料庫,連接著催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles)的儲存庫,管道伸延至每一條爪以及排氣孔。而每組液體燃料庫各自控制四條爪。

至於能源方面,科學家利用簡單的化學反應取代電池。他們利用雙氧水(Hydrogen peroxide – 過氧化氫) 作為液體燃料。當雙氧水遇到流動液體中的催化劑「白金納米粒子」(platinum nanoparticles),便會產生化學反應而形成氧氣及水。氧氣使八爪魚體內流動液體網絡膨漲,肢體中不同物料的力學設計使肢體向上及下移動,最後氧氣及水排出體外。

 

 

那麼八爪魚體內的兩組網絡是如何自動交替?交替的原理與電路原理相似,但不同的是利用液體流動和活門的設計產生壓力。當一個管道受到壓力暫時閉塞,另一組的液體燃料便從另一個管道經過白金納米粒子儲存庫而產生化學反應,下一個循環又再重新開始。

管道物料的厚度、液體燃料的流動及壓力丶排氣孔的大小丶以至燃料濃度都經過嚴謹的計算,才能使兩組爪同步郁動以及時間上準確的交替。初步計算1毫升的液體燃料能維持4-8分鐘的動作。

軟體機械人設計聰明的地方,是利用不同物料的彈性以及氣壓的設計可以令機械人自動產生動作,是同類的機械設計所沒有的。當然,這樣的八爪魚自動機械雛型只是設計全自動軟體機械人概念的第一步驗證。要機械人配合不同的環境而作出不同的反應,以及速度、角度和力度等考量,都是自動軟體機械人的大挑戰。

 

參考文章:

Wehner et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature (2016). DOI: 10.1038/nature19100

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