一隻軟體機器人手終於取得了一項歷史性成就：通關了超級馬力歐兄弟的第一關。雖然快速按下和釋放任天堂娛樂系統控制器的按鈕和方向鍵是對這臺三指機器效能的有趣測試，但真正的突破不是它做了什麼，而是它是如何被創造出來的。
這隻玩馬力歐的手，以及同一篇近期發表在《科學進展》雜誌上的論文中描述的兩隻類似烏龜的“軟體機器人”，都是透過一個單一步驟的3D列印過程製成的，僅耗時三到八小時。“這篇論文中的每一個機器人都實現了100%無需組裝列印，”共同作者、馬里蘭大學機械工程助理教授瑞安·索科爾說。
一步式生產將使研究人員更容易開發日益複雜的軟體機器人。這些機器人的柔軟構造使它們能夠與精細材料（如人體組織）互動，而不會造成更剛硬的機器可能造成的損害。這使得它們成為執行手術或搜尋和救援，甚至分揀水果或其他易損物品等任務的良好選擇。但到目前為止，大多數此類機器人仍然至少包含一些剛性元件。直到2016年，研究人員才創造出完全由柔性材料製成的機器人。為了讓那個章魚狀軟體機器人工作，其創造者不得不放棄剛性電子電路，轉而使用微流體電路。在這樣的電路中，水或空氣在微通道中流動；其流動透過基於流體的電子元件（如電晶體和二極體）的類似物進行調節。
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在新的研究中，研究人員加快了這項技術的發展。“他們引入了更復雜的微流體電路，”哈佛大學工程學教授詹妮弗·劉易斯說，她是2016年論文的共同作者，但沒有參與馬里蘭大學的專案。例如，在玩馬力歐的手中，電路允許單個流體源傳送不同的訊號，透過簡單地改變輸入壓力來告訴每個手指獨立移動。
打印出來
但是，在使軟體機器人更加複雜的同時，流體電路也使得機器更難製造和組裝。這就是索科爾對一步列印它們如此興奮的原因。“從未有人一次性完成過，”他說，“擁有一個完整的軟體機器人，集成了所有的流體電路、身體特徵和軟體驅動器[移動部件]，全部打印出來。”
他和他的同事使用了一臺PolyJet 3D印表機，這是一種放下液體層、將其暴露在使其固化的光線下，然後新增下一層的印表機。他們使用的型號由一家名為Stratasys的公司製造，可以生產三種類型的材料：一種柔軟的橡膠狀物質、一種更剛硬的塑膠狀物質和一種水溶性“犧牲材料”，這種材料在列印過程中充當支架，但必須在最終產品中去除。
這種高科技印表機的零售價可能高達數萬美元，但索科爾的團隊不需要購買一臺。“我們使用校園裡的一項服務來完成這項工作，”他說。“所以我們把我們的檔案傳送給他們，他們打印出來，然後我們去取回來。”索科爾估計，任何其他想要列印這些設計的人——他的團隊在開發網站GitHub上以開源軟體形式分享了這些設計——都可以使用類似的3D列印服務，花費大約100美元或更少。
索科爾認為，這個過程比在潔淨室中製造微流體電路，單獨製造機器人，然後再將它們組合起來更快、更便宜、更容易。劉易斯並不完全同意。“它有其精妙之處。我不確定它是否更快、更便宜，或者一定是這樣，”她說。“但是，必須透過一種方法建立電路，然後像我們所做的那樣將其插入模製和3D列印的機器人中，這確實很麻煩。我想說，[索科爾和他的同事]選擇的方法……在能夠列印多種不同硬度的材料方面有很多優勢。”劉易斯還指出，新的軟體機器人在列印後並不能立即使用。“他們的方法的一個麻煩之處是你必須去除所有的犧牲材料，”她說。“當它在身體外部，只是作為支撐時，這很好。但它也存在於所有這些內部通道中。”
是我，馬力歐！
在清理完他們列印的機器人後，索科爾的團隊不得不設計一個性能測試。早期的研究已經程式設計機器人手指來在鋼琴上演奏曲調，例如，但索科爾的團隊認為這項任務太容易了。“有了那個，我們可以任意設定節奏，”他說。“如果機器人漏掉一個音符或類似的東西，也不會有任何有意義的懲罰。”電子遊戲似乎更不妥協。“如果你犯了一個錯誤，如果我們沒有在正確的時間按下按鈕，或者我們沒有在正確的時間[釋放]按鈕，你可能會撞到敵人，你可能會掉進坑裡，然後遊戲就立即結束了，”索科爾說。
研究人員將他們的三指機器人手放在任天堂控制器上，每個手指放在不同的按鈕或方向鍵上。透過以不同的壓力向控制線輸送流體，他們可以使每個手指做出反應。“對於低壓，電路能夠響應它，並且只按下使馬力歐前進的按鈕，”索科爾解釋說。“然後對於中等壓力，第二個手指開始按下按鈕，現在馬力歐可以跑了。然後如果是高壓，那麼所有三個手指都將按下各自的按鈕，馬力歐就會跳躍。”
該團隊編寫了一個計算機程式，該程式將自動改變壓力，使手指以設定的模式移動。由於人們已經玩了超級馬力歐兄弟幾十年，該團隊確切地知道手需要按下哪些按鈕序列才能贏得遊戲的第一關。它只需要以正確的時機執行預程式設計的列表——這比聽起來要難。索科爾說，具有挑戰性的部分是“讓它不僅按下按鈕，而且停止按下它，然後再重新按下它，因為有很多時候馬力歐必須跳躍，然後在奔跑時非常快地再次跳躍。”
“馬力歐的部分有點可愛，肯定會引人注目，”劉易斯說。“但我認為這篇論文真正強大之處在於多材料3D列印，以及在一個製造步驟中整合所有這些複雜流體電路的能力。研究人員所做的事情確實有很多值得稱讚的地方。”
贏得電子遊戲表明，完全列印的機器人手可以快速而準確地響應不斷變化的輸入。任何著名的電子遊戲都可以證明這一點，但馬力歐在許多玩家心中佔有特殊的地位。“我們覺得這是基準遊戲，”索科爾說。“當我四五歲的時候，我們買了一臺任天堂遊戲機，那是我玩過的第一款遊戲。”