還記得那個機大白嗎？它可能離我們不遠了

三年前，迪士尼出品了動畫電影《超能陸戰隊》，其中的機器人大白，萌翻了廣大群眾。

大白是一個醫療機器人，如果在材質上分類，他屬於軟體機器人。傳統機器人大多採用金屬或塑料等材料製造，給人的感覺總是「硬邦邦」的。而軟體機器人往往非常柔軟，整個機體能任意彎曲變形，可以在管道或窄縫等特殊場景中發揮用處。

此外，大多數軟體機器人都不具有馬達等動力裝置，只能依靠壓縮空氣或液體驅動機體運動[2]。運行中的軟體機器人就如同一個吹鼓了的氣球。然而，軟體機器人的應用場景往往充滿了尖銳的物體，比如管道或者狹窄空間的邊邊角角——也就是說，這個吹鼓了的氣球還必須在釘子堆里工作。可想而知，軟體機器人大多「短命」。

為了解決這一問題，來自比利時自由大學的研究人員提出了使用自修復（self-healing）材料來製造軟體機器人的構想[2]。

自修復材料是指具有自癒合能力的智能材料，其靈感來源於受傷後能自我修復的生物體。這一概念在2001年一經提出，立刻吸引了大量研究者的目光。現如今，已經有很多種自修復材料得到了應用，比如汽車的自修復塗層，能癒合劃痕的手機蓋等。具備自修復能力的瀝青和混凝土，也走出了實驗室，正在準備進入建材市場。值得一提的是，極具潛力的人造皮膚首選材料也是可拉伸的自修復膜[3]。

在比利時自由大學的研究中，科學家們使用了一種高分子自修復材料。這種材料由兩種小分子（呋喃、馬來醯亞胺）通過Diels-Alder（DA）鍵相互連接形成。材料出現傷口，其實是這些DA鍵被切斷了。幸好，通過加熱，可以讓這些DA重新連接起來。具體來說，就是升高傷口部位的溫度（至80℃），破壞更多DA鍵。正所謂「不破不立」，這些DA鍵斷了後，釋放出很多可以自由運動的呋喃和馬來醯亞胺小分子。而且也因為溫度高的緣故，這些小分子的移動速度很快，如同熱鍋上的螞蟻。於是，這些自由奔跑的小分子們相互碰撞交融。之後把溫度降下來，小分子之間就可以生成新的DA鍵，從而把傷口癒合。

在高倍顯微鏡下，可以更為細緻地觀測到這個癒合過程。畫面正中，一條切口將的材料分成了左右兩半，為了加強對比，研究者還將兩邊渲染成了不同的顏色。隨著溫度的逐漸升高，材料會「唰」地一下變色，這暗示著是更多DA鍵的斷裂。緊接著，將溫度降低，左右兩邊材料相交的界面開始重新粘結，顏色發生了明顯變化。隨著新DA鍵的產生，原本的切口會如同被一隻無形的手所抹平。

科學家們將這種帶有自修復能力的高分子，加工成了一種由一排空腔和底層連接板組成的特殊構造。其中，底層板中相應位置有氣孔，可以向空腔內注入或抽取空氣，讓空腔膨脹或者收縮。通過精確控制各個小空腔的體積，就可以實現空腔陣列的變形和移動。

第一種是自愈軟手。手型機器人在實際操作過程中往往碰到很多尖銳物體，如金屬邊緣或破碎的玻璃等。甚至一張紙的鋒利邊緣都會對這類軟體機器人造成傷害。但通過自修復材料做成的手型機器人，即使被刀片劃破，也能照常運行，極大提升了軟手的使用壽命。

第二種是氣動夾具類機器人。這類夾具類似夾娃娃機的機器手，因為具有很大靈活性，它可以處理各種軟物體或形狀複雜的物品，比如用來分裝水果或蔬菜。這個過程，水果的樹枝等往往會對夾具造成損害。使用DA聚合物材料的夾具，不僅能夠夾「萬物」，還不怕這種日常磨損。

除此以外，研究者們還測試了自修復材料作為氣動人造肌肉的潛力。這種人造肌肉經常用作機器人的動力裝置，通過壓縮和排出空氣，可以產生很大的推力。當然，產生的力量越大，裝置外壁需要承受的壓力也就越大，這往往會導致磨損或泄漏，降低人造肌肉的生命周期。

於是，科學家嘗試了用DA聚合物膜作為人造肌肉的外壁。這層厚度僅為0.75mm的外壁，最高可承受高達37kPa的壓力。相當於一平方米的這種薄膜，可以承受一頭成年亞洲象的重量。即使被破壞了，這些人造肌肉也能自我修復，保持氣密性，維持原有的性能[2]。

如果軟體機器人達到了使用目的，想要回收材料怎麼辦？這也好辦。DA聚合物不但可以溶解於有機溶劑，還能被重新提取，所以，一旦達到使用壽命，軟體機器人的這些自愈組件可以完全回收再利用。

生命周期長，還能被循環利用，可以說生的偉大，死的光榮了。

這項研究的通訊作者是布魯塞爾自由大學的教授Bram Vanderborght ，他本人長這樣！

Bram教授是一個80後，研究領域包括人機交互，機器人輔助治療，人形康復機器人等。他還主導過一個機器人項目用來治療兒童自閉症。簡言之，他就是在造大白啊！

好吧，人贏，我服還不行嗎！

參考文獻

[1] Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of soft robots. Nature, 521(7553), 467.

[2] Terryn, S., Brancart, J., Lefeber, D., Van Assche, G., & Vanderborght, B. (2017). Self-healing soft pneumatic robots. Science Robotics, 2(9), 4268.

[3] Tee, B. C., Wang, C., Allen, R., & Bao, Z. (2012). An electrically and mechanically self-healing composite with pressure-and flexion-sensitive properties for electronic skin applications. Nature nanotechnology, 7(12), 825.

本文首發於【果殼科學人】