软阀是如何做成软机器人的，涉及到哪些原理？

近年来，一种全新的机器人(灵感来自自然形态，用柔软柔韧的弹性体打造)在这一领域掀起了一场风暴。它的设计可以抓住物体，行走，甚至跳跃。然而，尽管有这些创新，所谓的“软”机器人仍然有一些“硬”部件。博士生菲利普在伍德福德安·弗劳尔斯大学教授乔治·怀特塞德斯的实验室工作。罗瑟蒙德和博士后研究员丹尼尔·普雷斯顿发明了一种软阀门，可以取代这种硬部件，并可能导致完全软机器人的诞生。阀门的结构也可以用来产生独特的振荡行为，甚至可以用来构建软逻辑电路。

博科公园——科普:最近发表在《科学机器人学》上的一篇论文描述了这种阀门。除了Rothemund和Preston，这项研究还由Alar Ainla、Lee Belding和Sarah Kurihara(来自化学和化学生物学系)、Zhigang Suo(来自Kavli Bionano科技研究所)和Whitesides***。人们制造了许多不同类型的软机器人……最后，所有这些机器人都是由硬阀控制的。我们的想法是将这些控制功能植入机器人本身，这样我们就不再需要这些坚硬的外部零件了。这个阀门结合了两个简单的想法:首先，薄膜类似于一个“popper”玩具，其次，当你扭动这些管道时，就像你扭动花园软管来阻止水流。Preston和Rothemund演示的瓣膜建在一个圆柱体内，圆柱体被一层硅膜隔开，形成一个上腔和一个下腔。

当它落在物体上时，阀门关闭，抓取器自动启动。图片:哈佛大学

对下部腔室加压迫使膜弹出，释放压力并使其弹出回到“静态”状态。每个腔室还包括一个管，当膜转换方向时，可以扭曲该管以有效地打开或关闭阀门。无论面向哪个方向，都会使上管或下管打结，所以弹射时，底管会弯曲，没有空气通过底管。胶片弹出时，上管扭转，下管断开，空气可以流过下管。我们可以在这两种状态之间来回切换...切换输出。普雷斯顿和罗瑟蒙德说，在某些方面，这种阀门代表了软机器人的一种新方法。到目前为止，该领域的大部分工作都集中在功能性制造机器人上，这些机器人可以抓取或充当软手术牵引器。罗瑟蒙德和普雷斯顿认为，这种阀门是一个关键部件，可以用于任何数量的设备。

这种方法适用于任何软致动器，并没有回答如何制作夹具的问题，但退一步说，很多软机器人的充气和放气原理是一样的，所以这些机器人都可以使用这个阀门。普雷斯顿和罗瑟蒙德可以自动调整阀门来执行一些动作，比如抓住一个物体。在一次演示中，阀门被设计成一个多指固定装置，但增加了一个小通风口，让空气压力从阀门底部的腔室中释放出来。然而，当夹具下降到网球上时，通风孔关闭，这导致底部腔室增压，启动阀并使夹具工作。所以这项技术将这个功能集成到了机器人中。以前有人做过夹子，但是总有人站在那里，看着夹子凑近了才开始。这是自动的。

该团队还能够建立一个“反馈”系统，当提供单一稳定的压力时，会导致阀门在不同状态之间快速振荡。本质上，该系统将空气压力从上腔室传送到下腔室。当阀门弹出到升高位置时，它切断压力，允许底部腔室排气，释放压力，并使膜返回到降低位置，以再次开始循环。我们利用了导致膜向上翻转的压力与膜向下翻转所需的压力不同的事实，因此当我们将输出反馈给阀本身时，我们将获得这种振荡行为。利用这种行为，该团队可以建造一个简单的“尺蠖”机器人，它可以基于接受单一输入压力的单一阀门移动。在一个恒定的压力下，我们可以做出这样的行走动作，而我们根本无法控制这种行走——我们只需要输入一个压力，它就可以自己行走了。

未来需要做更多的工作来进一步改进这种阀门，使其能够适应不同的用途和不同的几何形状。这只是用薄膜做的演示。有许多不同的几何图形显示这种双稳态行为...所以现在我们可以考虑设计这个机器人，让它适用于机器人，这取决于你想要的应用。普雷斯顿还希望探索这种阀门——因为它总是处于两种状态中的一种——是否可以用作晶体管来形成逻辑电路。在某种程度上，它有点像晶体管。你可以输入压力，然后转换输出...从这个意义上说，我们可以把它看作是完全软计算机的一部分。