一个能“72变”的血管医生——液态全柔性智能机器人

  • 光明日报
  • 2019-11-15 17:03:09

近年来,在自动化需求的强劲带动下,全球掀起了一股机器人发展的热潮,形形色色、各具功能的机器人产品,开始频繁出现在我们的视野之中。但不管是工业级的搬运、分拣、切割等机器人,还是消费级的扫地、医疗、教育等机器人,它们“钢铁战士”般的形象不仅拉远了与人的距离,还在一定程度上限制了自身的应用。在这样的背景下,“柔性机器人”概念开始逐渐被提出。

柔性电子器件具有超薄、柔性、可延展的“类皮肤”特性,在能源、医疗、通信等领域拥有广阔前景。理论上,利用柔性电子技术研发的微型“软体”机器人可以反复改变形状,实现运动、抓取、运输和触觉感应等功能。柔性机器人需要具备材料的柔软性、优良的环境适应性、超强的安全性,以及良好的人机互动性,需要破除传统机器人关节的僵硬和材料的刚强,朝着更轻、更软、更协调、更自主的方向发展,现阶段“软体机器人”依然面临“硬伤”,需要依赖传统的刚性传感元件和电路,严重阻碍了性能的实现。现代社会的多元化需求急切呼唤“全柔性”机器人的出现。

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,有望成为柔性电子产业和植入医疗器械的革命性突破。相关研究成果已经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。

将液滴与柔性电子相结合的颠覆性创新思路

在天津大学精仪学院,黄显教授团队一直有一个梦想。“我们是研究柔性电子技术和可穿戴设备的,这好比一门武功。”黄显常常对自己的研究生们这么说。“我们这门武功的最高境界,就是通过柔性电子技术,创造一种新形态的类生命体。”

多年来,黄显一直致力于通过液滴和柔性电子器件的结合,创造一种新形态的类生命体。随着科学技术飞速发展,液滴里可以囊括各种东西,包括细胞和生命。“我们人类和动物也是充满了各种电学和化学信号,比如我们要思考,那就是通过电学信号转变成化学信号传递出去,在另一个神经元处再次激励出电学信号和化学信号,这样不断重复的过程。我的心脏要跳动,是因为大脑传递了信号给心脏的肌肉细胞,肌肉细胞产生电学信号,进而产生了肌肉的收缩。以上的两个例子告诉我们,生命的活动离不开电学和化学信号。”在黄显看来,各种细胞在液滴里通过电子器件交流结合,就可以在各种电学信号和化学信号的交融中显现生命的本质。

“我们希望这种类生命体有自主感知、自主运动、自主供能的能力,可以变形、可以执行各种任务、可以被人类编程,同时又比其他软体动物要先进得多。”黄显说。

在这样的思路下,黄显团队在研究中发现:将液滴与柔性电子相结合是一种全新的构建全柔性软体机器人的方法,在国际上尚未有与之类似的研究,具有极大的先进性和颠覆性。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”。

一个能“72变”的血管医生

《西游记》中孙悟空能够“72变”,甚至化身一只小虫钻到妖怪肚子里大显身手的故事寄托了古人对于微观世界的大胆创想。随着科技发展,柔性电子技术有望让这一神话变成现实。通过柔软材料的利用,驱动方式的创新,人们希望机器人能够拥有更好的环境适应性、安全性以及人机互动能力,以此在先进制造业中可以发挥出更大的价值。

黄显教授团队受自然界柔软的水母、轮虫等腔肠动物和浮游生物的启发,利用液滴的柔软无定型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。这是一种超小型、全柔性、可编程控制的液态智能机器人,能够在不同环境条件下实现运动、变形和传感测量。

黄显团队的博士生、天津大学精仪学院博士研究生周明行告诉记者,这款机器人长8毫米,高度不足5毫米,由电子器件和液滴两部分构成(如图)。液滴可以是水凝胶、水或者油,具体形态取决于机器人的应用场景。由于黄色柔性电子器件仅有1.1毫克,且超薄可弯折,因此可以被液滴携带着进行运动。

这种机器人除了具备良好的运动和环境适应能力之外,还搭载了多种传感器,如温度传感器、湿度传感器、光学传感器、应力传感器、葡萄糖传感器、食品毒素传感器和无线能量采集模块等,未来可应用于基因测序、化学合成、药物递送等领域,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。

在生物医学领域和安全领域有广泛应用前景

据黄显教授介绍,传统的柔性电子器件载体包括人体、动物体和其他各种柔性物体,“然而以液滴为载体且跟随液体共同运动的柔性机器人在世界上尚属首例,液滴与柔性电子的结合也代表了柔性电子技术的最新形态。”

在未来,这种新型的液态全柔性智能机器人在生物医学领域和安全领域也将发挥自己独有的优势。在生物医学领域,液态全柔性智能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,对血液和血管道进行测量,实现定点可控药物释放等功能。在安全领域,液态全柔性智能机器人能进入人类无法进入或者危险的环境,并对环境中物理、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、安全等领域具有广泛的应用前景。

言及未来,小小的机器人在黄显心中,则有着更为宏大的格局:液态全柔性智能机器人将在DNA存储领域发挥巨大作用;而千千万万个液滴机器人进入云层,通过采集光能量,产生热量,可以改变云层的温度和湿度,从而在特定地区和特定问题下改变局部气候……黄显说,他和实验室的师生将为了这些新目标继续努力。“风起于青蘋之末,未来已来。”

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