工程师开发出无电子设备的机器人，可以监测水质状况

杜克大学的一组工程师开发出了一种新的无电子设备、柔性机器人，它可能在未来发挥重要作用，监测环境状况。这种机器人形状像蜻蜓，可以在水面上滑行，同时对环境条件如pH、温度和油的存在做出反应。

这项新的原理验证是在高级智能系统杂志上于3月25日发表的。

柔性机器人继续进步和改进，并且由于其多功能性而变得越来越重要。它们能够处理易碎的物体，如生物组织，并且可以比其他刚性机器人更好地适应狭小的空间。

Shyni Varghee是这一想法的负责人，她是杜克大学的生物医学工程、机械工程和材料科学以及骨科手术教授。

Vardham Kumas是Varghese实验室的博士生，也是论文的第一作者。

“我从机场收到Shyni的电子邮件，她有一个使用自愈水凝胶的柔性机器人的想法，这是她团队过去发明的，可以自主反应和移动，”Kumar说。“但是那是电子邮件的全部内容，我几天都没有再收到她的消息。所以这个想法就暂时搁置了，直到我有足够的空闲时间去追求它，Shyni说去做吧。”

自愈水凝胶

早在2012年，Varghese的实验室就开发出了一种可以在几秒钟内对pH变化做出反应的自愈水凝胶。酸度的变化会在水凝胶上形成新的键合，这种键合可以在pH恢复到原始水平时逆转。

Varghese的新想法的一部分是使用水凝胶在柔性机器人上，使其能够在水面上行驶，同时检测不同位置的pH变化。她寻找了一种方法，让实验室能够开发出这种可以像自主环境传感器一样工作的机器人。

在Varghese实验室的博士后研究员Ung Hyun Ko的帮助下，Kumar设计了一种基于苍蝇的柔性机器人。经过多次尝试，团队决定采用蜻蜓的形状，并使用内部微通道网络使其能够通过气压控制。

柔性机器人的身体长约2.25英寸，翼展为1.4英寸。它是通过将硅胶倒入铝模具中，然后烘烤而成的。柔性光刻技术被用来创建与硅胶管连接的内部通道。

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DraBot

所得到的柔性机器人被称为DraBot。

“让DraBot对空气压力控制做出反应，使用自驱动器而不使用任何电子设备，这是很困难的，”Ko说。“那绝对是最具挑战性的部分。”

DraBot控制进入其翅膀的空气压力，微通道然后将空气带入前翅膀。它然后通过指向后翅膀的孔逃逸。如果后翅膀都被堵塞，DraBot就不会移动。然而，如果两侧翅膀都向上，机器人就会向前移动。

该团队还开发了气球驱动器，以获得更好的控制，并将其放置在每个后翅膀下方，靠近机器人身体。当这些气球被充气时，翅膀会向上卷曲，研究人员可以通过改变哪些翅膀向上或向下来控制机器人移动到哪里。

“我们很高兴能够控制DraBot，但它是基于活体的，”Kumar说。“活体不仅仅会自行移动，它们会对环境做出反应。”

该团队利用自愈水凝胶，将其涂在一组翅膀上，使DraBot对水的pH变化做出反应。如果水太酸，一侧的前翅膀会与后翅膀融合，导致机器人以圆圈而不是直线移动。当pH恢复到正常水平时，水凝胶会逆转，翅膀再次分离，使DraBot能够完全响应命令。

研究人员还添加了对温度做出反应的材料，使DraBot能够在水面上滑行并使用海绵吸收油。海绵的颜色会根据油的颜色而变化，当水太温暖时，机器人的翅膀也会改变颜色。

这些新发展可能有助于解决未来环境问题。例如，如此一来机器人就可以检测到影响各种地质敏感区域的淡水酸化。它还可以帮助早期检测油泄漏或检测红潮和珊瑚白化的早期迹象。