大數據文摘出品
來源：nus、MIT
編譯：Stats熊、陳若朦
50年前，第一個工業機器人手臂Unimate成功安排了一次簡單的早餐，它成功將烤麵包、咖啡和香檳送達。它的動作看起來像是一個無縫的壯舉，但其動作的每一個位置都是經過仔細考慮的。
儘管今天的機器人已經變得更加智能，且適應性更強，但運送輕小易碎物件這樣的任務，對於雙手僵硬的機器來說仍然很困難。機器人往往只在具有預定義形狀和位置的結構化環境中工作，通常無法處理位置或形式的不確定性。
近年來，機器人專家已經開始專注於軟體機器人的研發，使其具有足夠的柔韌性能夠撿起任何東西。目前最為先進靈活的機器人是「摺紙機器人」（origami robots），它可用於人體的藥物輸送、災難環境中的搜索和救援任務，以及用作人形機器手臂。
摺紙機器人在柔韌性上的要求比較高，一般是用紙、塑料或者橡膠作為材料。為了讓機器人更實用以完成特定的任務，通常是將傳感器和其他電子元件加裝在它們頂部，但這會讓它們顯得更佔空間，變得更重，進而需要更多的動力來移動。
現在，新加坡國立大學（NUS）的一組研究人員開發了一種新方法，創造一種新的金屬材料，採用「石墨烯氧化模板合成」的新工藝製造，成為了用於軟機器人的新材料。
這種新型材料在保持傳統紙張和塑料可摺疊性和質量輕的基礎上，由鉑等金屬與燃燒後的紙（灰）混合物為材料。事實上，這種材料只有紙一半的重量，但能夠使機器人仍然具備扭轉和摺疊的能力，這也讓它更具能效。而且它是導電的，機器人可以與操作員或其他機器人進行無線通信，而不需要額外的傳感器。這種材料可能會推動世界各地對輕型「摺紙」機器人的前沿研究。
成功實現應變傳感和無限通訊
折出一隻金屬軟體機器人
來自NUS工程學院化學與生物分子工程系的助理教授Po-yen Chen是這個項目的負責人。他在2017年提出了這種材料的想法，並與團隊的其他10名成員一起開發了生產這種金屬材料的工藝。
研究人員通過一種名為「石墨烯氧化模板合成」的新工藝來製造這種金屬材料。他們首先將纖維素紙浸泡在氧化石墨烯溶液中，然後將其浸入含鉑等金屬離子的溶液中。之後將其置於800攝氏度(1472華氏度)的惰性氬氣中燃燒，再於500攝氏度(932華氏度)的空氣中燃燒。最後將材料浸入高彈性溶液中使其穩定。
「石墨烯氧化模板合成」製備工藝
最終的產品是一層薄薄的0.09 mm金屬——由 70%的鉑和30%的非晶碳(灰)構成足夠靈活彎曲,摺疊和拉伸。其他金屬如金和銀也可以被使用。
相關研究論文《Multifunctional metallic backbones for origami robotics with strain sensing and wireless communication capabilities》發表於《Science Robtics》期刊上。
論文連結：
https://robotics.sciencemag.org/content/4/33/eaax7020/tab-pdf
研究小組組長Chen Po-Yen用一個切成鳳凰形狀的纖維素模板進行研究。「我們的研究也受到神秘生物的啟發，就像浴火重生的鳳凰，每一次在烈火和灰燼中獲得新生就會獲得更強大的力量。」
用作能導電的骨幹，實現機器人無線通信
在機器人的設計上，電力必須來自更大、更重的電池，這就形成了一個不斷增加重量和電力需求的惡性循環。陳教授說：「這就是為什麼像我們這樣的研究人員總是希望通過製造更輕的機器人來打破這一循環，從而降低能耗和使用更小的能源。」
該團隊的研發的摺紙結構是一種穩定的薄彈性體，可進行重新配置。這種材料可以作為機械穩定、柔軟和導電的脊骨，使機器人具備應變感知和通信能力，而不需要外部電子設備。
導電意味著這種材料充當自己的無線天線，這讓它可以不通過外部通訊模塊，與遠程操作員或其他機器人通。這擴大了摺紙機器人的工作範圍，例如在高風險環境中工作(如化學品洩漏和火災)、作為遠程控制的不受束縛的機器人、或作為人造肌肉或類人機器人手臂。
Po-yen Chen和Yang Haitao
NUS化學與生物分子工程博士生Yang Haitao是這項研究論文的第一作者，他說：「我們用不同的導電材料進行實驗，最終得出了一種獨特的組合，從而實現了最佳的應變感知和無線通信能力。因此，我們的發明擴展了用於製造先進機器人的非常規材料庫。」
該研究團隊還在試驗其他如銅等其他金屬，來降低材料的生產成本，使其對商業應用更具吸引力。團隊也正在尋求為金屬骨架增加更多的功能——一個值得被研究的方向是將電化學活性材料加入到儲能設備中，這樣材料本身就是它自己的電池，由此實現自供電的機器人。
來一隻又軟、又輕、又大力的假肢！
將驅動、傳感和通信能力緊密集成到摺紙機器人中，使得新一代功能機器人的發展成為可能。然而用於構建摺紙機器人的傳統材料(如紙張和塑料)卻缺乏整合、附加功能的設計能力，而且安裝外部電子設備需要很高的系統集成度，不可避免地會增加機器人的重量。
石墨烯氧化物模板合成技術的開發，實現了複雜貴金屬摺紙(如Pt)的生產，具有更好的變形性、阻燃性和節能性，可被用於製造可重構、順應性強、多功能的金屬骨架。
使用這種新型金屬材料製成的輕質金屬骨架，至少比傳統材料輕三倍。相同時間內，這種新材料機器人工作速度更快，而且耗能只有原來的70%，變得更為高效。這種新材料還具有防火性能，適用於在惡劣環境下工作的機器人。這種新材料可以在800攝氏度(1472華氏度)的高溫下燃燒5分鐘。
材料實驗測試結果
此外，這種導電材料具有地熱加熱的能力——通過這種材料發送電壓使其升溫，這有助於防止機器人在寒冷環境中工作時的冰損傷。這些特性有助於創造輕便靈活的搜救機器人，讓它們進入危險區域，並實時反饋與通信。
這些特性使得這種新材料成為製造柔性、輕便假肢的不二選擇，同時，這種假肢比傳統假肢輕60%。這種假肢可以提供實時的應變感知，反饋彎曲的程度，給使用者更好的控制和即時的信息——所有這些都不需要外部傳感器，否則會給假肢增加不必要的重量。
今年3月，哈佛大學(Harvard)和麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology)的研究人員開發出了一種機器人肢體，它可以用一個柔軟的摺紙手抓取各種物體，包括酒杯和水果。傳統的機械手臂用僵硬的手指會損壞這些物體。
該肢體夾持器由三部分組成：以摺紙為基礎的骨架結構、密封的外殼和連接器。該團隊使用機械橡膠模具和一種特殊的熱收縮塑料——這種塑料可以在高溫下自動摺疊。
夾持器可以抓住並舉起其直徑70%的物體，這使得夾持器能夠拿起並握住各種軟性食物而不會造成傷害。它還可以撿起超過4磅重的瓶子。同時考慮軟體機器人的柔韌性以及足夠的力量是非常困難的。
但是夾持器的形狀使它更難以抓住一些平面的東西，如三明治或一本書。這隻機器人肢體的創造者之一Daniela Rus說道：「我的夢想是創造一個能夠自動為你打包食品雜貨的機器人。」
機器肢體可以拿起精巧的小物件，也能拿起自身重量100倍的大件