软自愈材料机器人SHERO

mxptmrh

点击
* w! h" \9 V) T5 o# K上方“IEEE电气电子工程师学会”即可订阅公众号。网罗全球科技前沿动态，为科研创业打开脑洞。
: {$ ~; k) c, q/ E" j

Image: SHERO ProjectThis robot hand can autonomously heal itself over and over again.
& Q7 g9 w% }2 {3 U! m7 `: M# H( k
6 i" O: w* j2 P9 a- `) `7 s如果我们对机器人有一点了解的话，那就是我们知道它们会坏的。它们一直会出现问题。软件坏了。硬件坏了。你认为永远，永远都不可能会坏的零件坏掉的时候，你必须试着向导师解释到底发生了什么，他一直站在那里看着你的机器人失败，然后再整夜的熬夜修复那些本不该严重损坏的东西。
, l. h& @' {* s8 k- v
. X- [5 ~- P1 ~/ U. Z- O
# R( n3 t) U' ]* h5 f3 l4 U虽然这其中的大部分只是机器人的一个基本特性，但欧盟委员会正在资助一个名为SHERO（Self HEaling soft RObotics，自愈软机器人）的项目，试图解决机器人遭受的物理破坏。
" E! R2 X- K5 w6 E; X

SHERO是一个为期三年、耗资300万欧元的合作项目，由布鲁塞尔大学、剑桥大学、巴黎大学物理与工业学院和瑞士联邦材料科学与技术实验室（EMPA）共同完成。正如SHERO这个名字所暗示的，这个项目的目标是开发出能够完全从机器人在日常操作中可能遭受的各种伤害中恢复过来的软材料，以及偶尔发生的更为极端的事故。

& P+ g& |: K; ]' f
" ^& _2 i7 B2 f4 c: Q大多数材料，特别是软性材料，不管是用强力胶还是胶带，都是可以固定的。但修复东西需要人类首先识别出它们何时损坏，然后执行潜在的技能、劳动、时间和金钱密集型任务。SHERO的软材料最终将使整个过程具有自主性，使机器人能够自我识别损伤并自行开始治疗。
; q- z4 d" R( f3 b. N6 A

6 S% F. B  R' J& u, `% O

Photos: SHERO ProjectThe damaged robot finger [top] can operate normally after healing itself. 
& I: D* h2 a$ Q& s, x
自愈材料的工作原理
6 [- b" i2 U7 E( J3 Q这些自愈材料所能做的真是太神奇了。研究人员实际上正在开发两种不同的类型，第一种是在内部或外部应用热量时自行愈合，这就可以在一定程度上控制愈合过程的开始时间和方式。例如，如果机器人正在处理脏东西，你会希望在治愈它之前把它清理干净，这样污垢就不会嵌入材料中。这可能意味着机器人要么把自己带到一个加热站，要么它可以激活某种嵌入式加热机制，使自己更加自给自足。


4 K1 k7 N" G% I7 E  S4 l3 |  l第二种自愈材料是自主的，因为它在室温下不需要任何额外的输入就能自愈，而且可能更适合于相对较小的擦伤和裂缝。以下是一些关于治疗效果的数据：


自主自愈聚合物不需要加热。它们可以在室温下修复损伤。利用自主自愈聚合物开发软机器人系统不需要额外的加热设备……然而，修复需要一些时间。3天、7天和14天的愈合率分别为62%、91%和97%。
5 [' Y2 |9 }( _; r. ]  I; Z- K

) ^# J3 i3 {  @# L1 V: ?- L这种材料被用来开发一种可愈合的soft pneumatic hand。相关的大切口可以完全愈合，无需外部热刺激。根据伤害的大小，甚至更多的伤害的位置，愈合只需要几秒钟或最多一周。执行机构上在执行过程中受到非常小的应力的位置上的损坏被立即修复。更大的损伤，如将执行器完全切成两半，需要7天才能愈合。但即使是这种严重的损伤也可以完全治愈，无需任何外部刺激。
1 m/ a( s3 m( }' M
1 Y& X* w5 ]9 q* _2 V. Q
自愈机器人的应用
这两种材料可以混合在一起，它们的机械性能可以定制，这样它们所属的结构就可以调整以不同的方式移动。研究人员还计划在材料中引入柔性导电传感器，这将有助于感知损伤，并为控制系统提供位置反馈。未来几年将会有很多发展，更多细节，我们（作者，以下简称我）在布鲁塞尔VRIje大学采访了Bram Vanderborght。


2 E( n8 K8 }9 f; h1 BIEEE Spectrum：生产这些材料有多容易、多困难、多昂贵？它们是否会给机械手增加可观的成本？
$ t" `' N: e! \( b6 T0 W2 j
2 Z) A7 R2 p* j
6 T" S3 Q* E+ f. @Bram Vanderborght：它们绝对是更昂贵的材料，但这也是一个生产规模的问题。目前，我们已经生产了几公斤这种材料（足以制造几个），价格已经比我们在项目第一阶段订购100克这种材料时大幅下降。因此，可能手爪的成本会比普通手爪高，但你不需要像其他因磨损而需要更换的手爪那样频繁地更换手爪，因此这可能是一个优势。

* j* D+ m1 j! F: V" u
7 u8 U1 G0 y# A此外，由于采用3D打印材料的方法，表面更加光滑和密封（因此不需要后期处理使其密封）。比如，光滑的表面更好地避免污染食品处理。


在商业或工业应用中，gradual fatigue似乎比突然的创伤（如割伤）更常见。自我修复在长时间内提高耐用性的效果如何？
& x3 x- |2 N2 j/ j3 ?8 ?: B, d1 C7 ~

我们很长一段时间没有测试gradual fatigue。但宏观和微观损伤都可以愈合。所以希望它也能在这里提供答案。
* A; p! n( X( d4 L
/ {* p, p% c/ _% C/ }( ]
自愈能力对材料性能有多大的限制？材料的柔软度、硬度、平滑度或其他特性有什么限制？
2 j  j$ D% }8 j, A

Image: SHERO ProjectAfter developing a self-healing robot gripper, the researchers plan to use similar materials to build parts that can be used as the skeleton of robots, allowing them to repair themselves on a regular basis.  

通常，网络化聚合物的机械性能比热塑性塑料好得多。我们的材料是一种网络聚合物，但其中的交联是可逆的。在材料的设计中，我们可以改变很多参数。所以我们可以发展出非常坚硬的（1.24%的断裂应变）和非常有弹性的材料（450%的断裂应变）。我们的材料最大的优点是我们可以把它混合成中间性质。而且，在不同力学性能材料的界面处，化学键相同，界面是完美的。而其他材料，他们可能需要胶水。
1 E; f" q5 I* m# y
* t, U! [9 }) q/ M7 }+ ?4 k0 m
( b+ h1 t$ I0 j* x6 R& [1 `% c当材料自我修复时，它在那个地方的结构是否不那么健全？它能治愈一次又一次发生在同一地点的伤害吗？
8 i0 |( N- S6 N

理论上我们可以治愈它无数次。当伤口没有完全对齐时，当然在那个部位会变弱。温度过高也会导致不可逆，杂质会导致弱点。


5 u# U- s5 Y- d& |1 D+ V除了手爪和皮肤，这项技术还有哪些潜在的机器人应用价值？

& ~! r3 Q$ |+ `' ?$ |9 M
现有的大多数自愈材料都用于涂层。我们正在开发的是结构部件，因此材料的机械性能需要在此类应用中发挥良好的作用。所以也许机器人的一部分骨架可以用这种材料制成，使其更轻，因为可以设计用于定期维修。对于特殊的负载，它会断裂，可以像人体一样修复。
0 d. ?9 Q7 f* b5 r) J  u


点击
阅读原文
了解更多详情

+ x2 ^: v/ s$ e/ {
* }2 b- r: I) r, y
来源：http://mp.weixin.qq.com/s?src=11&timestamp=1570528805&ver=1900&signature=2jDG4GtcEEz3iPph778PnL*TjJ6xkyl*9*dxcxGXleBnc2BGdQWMaTi192tKMgBfh6Q7KvU7b2G*gFBnB0M6-JIhOkXLk0P8*DNnHkmWCPdN8uqwLxC3KtBhlIrU6uH8&new=1
' l" [- o7 D& ^* E& r免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！