不用修理的机器人

刘娉婷

人类为了解放生产力，研发出机器人，替我们完成很多工作。但普通机器人很容易因为尖锐物体的碰撞或者遭受外界压力而损坏，不仅修理的费用昂贵，过程也非常复杂，有时只能废弃处理。它们不像人类，伤口能够随着时间自然愈合。那么，是否有办法能够让机器人自我“修理”呢？

这可能会让你联想到电影《X战警》中的金刚狼，或者《终结者》中的机械人，他们都拥有自我修复的能力。今年，布鲁塞尔自由大学的研究团队通过3年的研发，利用橡胶聚合物制造出一种软性机器人，就能够实现自我修复，并且不会留下任何疤痕—你需要做的，只是在它们的受损部位，稍微加热一下。

软性机器人并不是一个新鲜的话题。2012年，美国能源部就研发出了由半透明状的硅质聚合物形成的爬行机器人，它能够将身体伸展成“X”状爬行前进。2016年，瑞士的洛桑联邦理工学院研发出一款用软性材质设计的机器人手指，能够抓取任何状态的物体，甚至是一颗已经破损的鸡蛋。

“受到生物体质的启发，软性机器人可以适合于各种不确定的、动态的任务环境中，甚至可能发生人机交互。”该项目的负责人Bram Vanderborght介绍。

比如在挑选水果、蔬菜等易损品时，软性机器人就是理想的助手。在工厂流水线作业中，软性机器人能够与人类合作，避免发生事故。它们也能用作医疗辅助工具，应用到微创手术中，去抓取精细的物品，甚至在康复和假肢修复中，都能够发挥作用。

但柔软的另一面，意味着它们很容易受到硬物的伤害。比如被刀割伤、被剪断，或者被尖锐的物体刺穿，有时候承载的压力过大也是伤害的来源。

而Bram Vanderborght团队的研究，就是为了找到能够用较低成本实现“自愈”的材料，再将这种材料制作成零件，安装到机器人身上。由于自愈的过程需要加热，因此整个反应被称为SH（Self-Heating）反应。

这种能“自愈”的聚合物橡胶材料首先要能满足狄尔斯-阿尔德有机反应（Diels-Alderreaction，简称DA反应），这也是现代有机合成实验中的常用反应。通俗地说，就是材料中的聚合物能够通过反应形成环状键，且这种反应相当灵活，在一定情况下，环状键也会分解，发生逆反应。

团队用合成方式研发出一种果冻状的橡胶聚合物，聚合物内有许多通过DA反应形成的链条，它们缠结在一起形成新材料。由于基本的环状键是通过反应形成的，因此也是整个网络中最脆弱的部分，当高分子聚合物受到外力时，这些键极易遭到破坏并断裂。

想让这些环状键重新缠结在一起，需要通过加热来激活，就像安装了一个触发机制。通过增加温度，非自动发生SH反应的聚合物可以转换成自动发生SH反应的聚合物，高分子的流动链条逐渐增加，此时反应会进入到一个新的平衡，即等温阶段，直到聚合物有足够的流动性和时间来形成密封。团队通过研究证实，当加热到80摄氏度，并持续加热40分钟，这种聚合物的受损程度会不断减轻。

接下来是控制冷却和常温恢复，目的是为了恢复材料的灵活性和强度。停止加热后，伴随着长时间的冷却，聚合物网络中的交叉链接会逐渐重新形成，找回材料初始状态的稳固性能，最终，让材料处于自然环境中—25摄氏度是最适宜的温度。虽然冷却过程的耗时较长，大约需要22个小时，但完成之后完全找不到受损痕迹。

为了测试这种材料在机器人领域的应用，团队先制造出了3个机器人身上的部件：一只用于捡拾物品的钳子、一只机器人手爪，以及人造肌肉，通过气动执行器（用气压力驱动启闭或调节阀门的执行装置）来控制它们的操作。这些部件可以安装在普通机器人身上，通过单独控制，完成抓取物体的动作。

同时，他们还制造了验证实验专用的测试台，包括压力调节系统、压力传感器等装置。这样可以测出外力引起的材料的变形程度和材料准确的受力范围，调节零件的尺寸。

“机器人是整合这种聚合物的最佳选择，因为它们包含触发系统所需要的电源和控制选项。”Bram Vanderborght说。

机器人的部件由多个聚合物材料构成的小长方体组成。这些长方体的侧面没有密封，团队目前制造出的零部件都是按照9個长方体排列好，形成一个长条状，放入烘箱中，再对侧面整体封闭凝固塑形。

和普通机器人的零件能回收利用一样，这种软性材料也能回收再投入循环使用。具体来说，只需要将材料切成片状，放入三氯甲烷中。三氯甲烷可以降低DA反应聚合物的浓度，逐渐将平衡转移到未链接的状态。

如果想要加速溶解，可以把三氯甲烷加温到65摄氏度，所得的溶液可以再次浇铸形成一片材料，和加热自愈的过程一样，片状的材料会粘结成完整的形状。但与最初始的状态相比，性能有所下降，比如收缩的张力只有之前的81%。如果用更高纯度的溶剂，则可以减少副反应的发生，再次提高效率。

在软性机器人的设计合成阶段，也能够尝试将不同机械性能的聚合物熔合在一起形成一个单一的零件，通过加热加强相互之间的链接。也就是说，这项研究极大提高了设计的自由度，可适应不同机器人应用所需要的各种性能。

麻省理工学院的电器工程专家Russell Tedrake曾表示，一直以来，没有自行愈合的能力是机械系统与生物系统相比的不足之一，自我修复能够让整个机械系统的成本更低、更安全。

目前，布鲁塞尔自由大学的研究团队正尝试为机器人增加一个能检测自身健康状况的传感器网络，让机器人的自愈真正地自动实现，比如通过改变材料或者研发出自己供热的机器人的方式。

到那时，机器人会变得更轻巧、更安全，它们能够独立工作更长时间，现场可能也不再需要维修人员随时待命了。