過(guò)去，機器人只能在工廠(chǎng)進(jìn)行繁重的工作或進(jìn)行精細的工作?，F在，波士頓動(dòng)力公司靈活的四足機器人Spot可供公司租借以執行各種實(shí)際工作，這標志著(zhù)近年來(lái)人機之間的普通交互已經(jīng)變得多么普遍。

盡管Spot具有通用性和魯棒性，但它卻被社會(huì )視為傳統機器人，即金屬和硬塑料的混合物。許多研究人員堅信， 能夠與人進(jìn)行安全的物理交互的軟機器人(例如，通過(guò)抓握和移動(dòng)物體來(lái)提供室內幫助)將與硬機器人一起為未來(lái)創(chuàng )造條件。

柔軟的機器人技術(shù)和可穿戴計算機，這兩種對于人類(lèi)交互而言都是安全的技術(shù)，它們將需要新型的材料，這些材料必須柔軟，可拉伸并具有多種功能。我和我的同事在卡內基梅隆大學(xué)軟件實(shí)驗室研究了這些多功能材料。與 合作者一起，我們最近開(kāi)發(fā)了一種這樣的材料，它獨特地結合了金屬，軟橡膠和形狀記憶材料的特性。

這些柔軟的多功能材料(我們稱(chēng)為它們)可以導電，檢測損壞并自我修復。它們還可以感應觸摸并響應電刺激(例如人造肌肉)改變其形狀和剛度。在許多方面，這都是開(kāi)創(chuàng )性的研究人員Kaushik Bhattacharya和Richard James所說(shuō)的：“ 材料就是機器。”

使材料智能化

物質(zhì)就是機器這一思想可以體現在體現智能的概念中。該術(shù)語(yǔ)通常用于描述互連的材料系統，例如膝蓋的肌腱。跑步時(shí)，每次腳踩到地面時(shí)，筋都可以拉伸和放松以適應，而無(wú)需任何神經(jīng)控制。

還可以在一種材料中考慮體現的智能-一種可以感知，處理和響應其環(huán)境的智能，而無(wú)需諸如傳感器和處理單元之類(lèi)的嵌入式電子設備。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是橡膠。在分子水平上，橡膠包含成串纏繞在一起的分子串。拉伸或壓縮橡膠會(huì )移動(dòng)并解開(kāi)琴弦，但它們的連接會(huì )迫使橡膠彈回其原始位置而不會(huì )永久變形。橡膠“知道”其原始形狀的能力包含在材料結構中。

由于未來(lái)適用于人機交互的工程材料將需要多功能性，因此研究人員試圖將新的體現智能水平(不僅是拉伸)構建到橡膠等材料中。最近，我的同事們創(chuàng )建了嵌入橡膠的自愈電路。

他們首先將包裹在電絕緣“皮膚”中的微型液態(tài)金屬小滴分散在整個(gè)硅橡膠中。在其原始狀態(tài)下，皮膚的薄金屬氧化物層可防止金屬滴導電。

然而，如果嵌入金屬的橡膠受到足夠的力，則液滴將破裂并聚結以形成導電路徑。印在該橡膠上的任何電線(xiàn)都會(huì )自愈。在另一項研究中，他們表明自我修復機制也可用于檢測損害。在損壞的區域中形成新的電線(xiàn)。如果有電信號通過(guò)，則表明已損壞。

液態(tài)金屬和橡膠的結合為材料提供了一種感知和處理其環(huán)境的新途徑-即體現智能的新形式。液態(tài)金屬的重新排列使材料“知道”由于電響應而發(fā)生損壞的時(shí)間。

形狀記憶是材料體現智能的另一個(gè)例子。這意味著(zhù)材料可以可逆地更改為規定的形式。形狀記憶材料是軟機器人中直線(xiàn)運動(dòng)的理想選擇，可以像二頭肌一樣來(lái)回移動(dòng)。但是它們還提供了獨特而復雜的形狀改變功能。

例如，最近有兩組材料科學(xué)家演示了如何將一類(lèi)材料 從平坦的橡膠狀薄片可逆地轉換為面部的3D地形圖。對于傳統的電動(dòng)機和齒輪而言，這是一項壯舉，但是對于此類(lèi)材料而言，由于材料的內在智能，它很簡(jiǎn)單。研究人員使用了一類(lèi)稱(chēng)為液晶彈性體的材料，有時(shí)將它們稱(chēng)為人造肌肉，因為它們可以通過(guò)施加熱，光或電等刺激而伸縮。