液滴遇上柔性电子，让机器人实现“72变”

基于液滴和柔性电子技术的液态全柔性智能机器人结构构成 天津大学供图

《西游记》中孙悟空“72变”化身小虫，钻到妖怪肚子里大显身手的故事，表现了古人对于微观世界的大胆创想。近日，天津大学精仪学院黄显教授团队成功研发全球首个液态全柔性智能机器人，能“72变”的“血管医生”让神话成为现实。相关研究成果近期发表于国际工程和自然科学领域权威期刊《尖端科学》，并得到国家自然科学基金和天津自然科学基金等支持。
目前软体机器人存在“硬伤”
如今机器人技术已经被应用到各个领域，有一类机器人可以根据所处的地理环境，自由改变其结构和外观，具有运动能力、变形能力和传感测量能力，这类机器人被称为无定形软体机器人。
“这类机器人是基于柔性电子器件所具有的超薄、柔性、可延展的类皮肤特性，利用柔性电子技术研发的微型软体机器人，不仅可以反复改变形状，还实现了运动、抓取、运输和触觉感应等功能。”黄显教授团队成员、博士研究生周明行介绍，其在生物医学领域和安全领域有着自己独有的优势。在生物医学领域，无定形软体机器人在可控药物释放以及植入式医疗机器人等方面有着巨大的潜力，微型软体机器人可以通过注射方式随血液进入血管，借助传感元件和包载药物，对血液和血管进行测量，实现定点可控药物释放等功能。在安全领域，无定形软体机器人能进入人类无法进入或者危险的环境，并对环境中的物理、化学和生物等信号进行检测，环境适应能力强，在排险、探伤、侦查、军事安全领域具有广泛的应用前景。
“不过现阶段，已有的或者在研的软体机器人依然存在着一些‘硬伤’。”周明行解释，这是因为，目前柔性电子器件主要贴附于或者集成在有机体、机器和电子产品上工作，依附物往往位置固定，活动范围受限。部分软体机器人虽然可以实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能，但这些功能的实现主要依赖于传统的刚性传感元件和电路，还没有做到机体和功能电路的全柔性构造，严重阻碍了性能的实现，比如普通软体机器人无法进入或者通过狭窄的血管、缝隙。这就需要全柔性、无固定形态，像液体一样的机器人出现，来满足这种需求。
“智能液滴”有望成为血管医生
怎么才能制成全柔性的机器人呢？黄显团队受自然界水母、轮虫等腔肠动物和浮游生物的启发，利用液滴的柔软无定形特性和柔性电子器件的超薄柔软特性，构建了一种全新的“智能液滴”——液态全柔性智能机器人，首次实现了软体机器人运动载体和功能测量器件的全柔性化和可编程控制。
周明行介绍，团队基于微纳加工技术制作出超薄（厚度小于10微米，相当于头发丝的十分之一）多功能柔性电子器件，利用液滴浮力和表面张力等特性，将柔性电子器件悬浮于液滴表面，通过改变液滴种类和器件设计，实现在不同环境和控制条件下“智能液滴”的运动、变形和传感测量等功能。
这种“智能液滴”可以将电子器件投递至目标指定位置并完成功能组装。周明行说：“我们通过在水液滴中掺入四氧化三铁纳米颗粒，利用磁场控制，使‘智能液滴’可以以226厘米/分钟的速度进行可编程化运动。在运动过程中，遇到细小夹缝、凸起表面时，‘智能液滴’可随意变形通过障碍物，到达指定位置后恢复原状。”
当遇到需要多种功能的“智能液滴”的情况时，为了不增加整体大小，还可以把每种功能分别制作成“智能液滴”。一是这些“成员”到达指定地点，利用三维磁场操控，就能把它们组装集成起来。
液滴和柔性电器器件结合是一种全新的构建全柔性软体机器人的思路、方法，该方法为全面实现复杂环境下可独立工作的软体机器人奠定基础。周明行表示，这种方法给时间和劳动消耗型研究带来了便利。高通量可编程控制的特点，使其可应用于基因测序、化学合成、药物递送和微组装等需要精确操控和持续检测领域，有望成为能进入人体检测治疗的“血管医生”，具有十分重要的科学意义和应用价值。