會出汗的機器人擊退高溫

電子裝置無法承受高溫。這就是為什麼電腦依賴風扇，汽車引擎需要散熱器。但是這些冷卻裝置必然是剛性的，這使得它們不適合由彈性、柔性塑膠而非金屬製成的軟機器人。因此，一些康奈爾大學的研究人員從汗液中獲得靈感，開發出一種柔軟的機器人抓手，當溫度升高時會自動開始出汗。

由於其柔軟的結構，軟機器人有時比金屬機器人更具適應性和耐用性，並且不太可能造成傷害。然而，這些機器的柔性材料也可能使其容易受到高溫的影響。許多軟機器人中使用的聚合物比金屬保持熱量的時間更長，並且當溫度改變時，它們的剛度也會發生變化。這些特性會影響機器人的彎曲方式，從而影響它們抓取物體的能力。賦予它們出汗這種古老的特性可能會有所幫助。

“我認為這是一個非常好的主意，”義大利聖安娜高階研究學院生物機器人研究所的軟機器人專家塞西莉亞·拉斯基說，她沒有參與這項新研究。“這個領域的主要貢獻之一是真正讓我們想象出這種具有栩栩如生的能力的機器人，這是以前用傳統機器人技術無法實現的。”

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出汗不僅栩栩如生，而且是一種非常高效的冷卻方法。“在正確的條件下，優秀的馬拉松運動員已知每小時會失去近四升汗液，”該研究的合著者托馬斯·瓦林在最近的新聞釋出會上說，他當時是康奈爾大學的博士候選人，現在是Facebook Reality Labs的材料科學家。“這相當於大約2.5千瓦的冷卻能力。”他補充說，相比之下，一臺家用冰箱在一小時內消耗約1千瓦的能量。

研究人員認為這種技術特別適合軟機器人。為了移動並與周圍環境互動，許多此類裝置使用液壓系統將水泵入一個類似氣球的“手指”中，該手指通常由水凝膠等材料（一種富含水的聚合物）製成，使其膨脹並以可預測的方式彎曲。在抓手手指上新增孔隙將使其釋放一些水作為汗液。但是液體必須以可控的方式滲出，否則抓手會太快放氣。

為了控制這個過程，康奈爾大學的團隊用“智慧凝膠”製造了他們的三叉抓手機器人，當溫度升高時，智慧凝膠的大小會發生變化。研究人員還能夠透過選擇可以使用稱為多材料立體光刻的工藝進行3D列印的材料來構建每個空心手指。對於手指結構本身的主體，瓦林和他的同事使用了一種名為PNIPA的聚合物，當溫度達到約40攝氏度時，該聚合物開始收縮。對於面向外側的一面，他們轉向了一種名為丙烯醯胺的化學物質，該物質在高溫下會膨脹。他們給了手指的這個部分一個旨在促進蒸發的紋理，並在其上穿孔了五分之一毫米寬的微小孔隙。當手指加熱時，它們的體積會縮小，孔隙會擴大，將液體內容物透過孔擠壓出來。

“這種合成策略的最好之處在於熱調節效能基於材料本身，”瓦林在新聞釋出會上說。“我們不需要新增感測器或其他元件來控制出汗率。當局部溫度高於轉變溫度時，孔隙會自動開啟和關閉。”

他和他的同事還設計了一種不流汗的抓手版本，用作控制裝置。為了比較機器人散熱的能力，他們使用兩臺機器人在風扇吹過它們的同時撿起熱物體。出汗的抓手以比干燥的抓手快六倍的速度降低溫度，以每千克體重107瓦的速度冷卻自身，據研究人員稱，這比出汗動物的溫度調節效率高三倍。這項研究本週發表在《科學機器人》上。

這個概念確實有一些問題需要解決。首先，為出汗孔隙供水的同一水庫也提供了手指彎曲的能力。這種安排意味著，當液體從手指滴出時，控制系統必須修改裝置中的壓力，以彌補損失的體積。然而，該團隊發現，即使儲備的水較少，手指仍然可以以所需的角度彎曲。另一個問題是，當抓手被光滑的水覆蓋時，它們的摩擦力會降低。研究人員建議，未來的版本可能由一種在潮溼時會起皺的材料製成，就像人類的手指一樣，從而增加抓握能力。最終，目前的原型是一個概念驗證：它證明了排汗是軟機器人的一種可行的冷卻方法，併為科學家提供了一個他們可以繼續修改和改進的平臺。

拉斯基指出，除了抓握之外，軟機器人還具有廣泛的潛在應用。“其中之一是生物醫學領域，因為你可以將軟機器人應用於手術、康復和幫助人們，”她說。拉斯基補充說，因為它們與脆弱的人體更相容，所以這些型別的機器人在機器必須與人直接接觸的情況下表現良好。研究人員還在研究可以探索和監測新環境的軟機器人。許多這些機器使用水或其他液體來移動它們的部件，而康奈爾大學研究人員的新出汗方法可能非常適合其中一些機器。“流體驅動在軟機器人領域非常流行，因此有很多情況下可以應用他們的想法和解決方案，”拉斯基說。“從這個意義上說，我認為它非常強大。”