合成材料使软体机器人能够像植物一样生长

明尼苏达大学的一组科学家和工程师开发了一种受植物启发的挤出工艺，实现了合成材料的生长，这可能使软体机器人能够像植物一样生长。这种方法是创新和新的，所产生的机器人可以在狭窄的空间、复杂的地形甚至人体内部导航。

该研究由国家科学基金会资助，在美国国家科学院院刊（PNAS）上发表。

能够“生长”的机器人

克里斯·埃利森是论文的首席作者，明尼苏达大学双城分校化学工程和材料科学系教授。

“这是第一次从根本上证明这些概念，”埃利森说。“开发新的制造方法对于我们的国家竞争力和为人们带来新产品至关重要。在机器人方面，机器人越来越多地被用于危险、偏远的环境，这些领域可能会受到这项工作的影响。”

软体机器人是由软而有弹性的材料制成的机器人，而不是由刚性材料制成的。这种新型的软体生长机器人可以产生新的材料并在移动时“生长”。它们可以应用于各种应用，特别适合于导航人类无法接触的偏远地区。实际应用可能包括检查或安装地下管道，或者在人体内部导航。

我们目前拥有的软体生长机器人会在其后留下一条固体材料的痕迹，并使用热量和/或压力将材料转化为更永久的结构。研究人员将其与3D打印机进行比较，3D打印机使用固体丝材来生产成型产品。尽管如此，当机器人需要绕过弯道时，软材料变得困难，这使得机器人难以导航某些障碍。

开发新的挤出方法

为了解决这个问题，团队开发了一种新的挤出方法。这种新工艺涉及将材料通过开口以创建特定形状，并使机器人能够从液体中创建其合成材料，而不是固体。

马修·豪斯拉登是论文的第一作者，明尼苏达大学双城分校化学工程和材料科学系的博士生。

“我们非常受植物和真菌生长的启发，”豪斯拉登说。“我们采用了植物和真菌在其身体末端添加材料的想法，无论是根尖还是新芽，并将其转化为一个工程系统。”

研究人员希望模仿植物使用水将构建块运输到其生长的根部的过程。为了实现这一点，他们使用了一种称为光聚合的技术，使用光将液体单体转化为固体材料。软体机器人可以使用这种技术更轻松地导航障碍和弯道，而无需拖拽固体材料。

潜在的实际应用

该团队表示，这种新工艺也可以应用于制造业，特别是使用热量、压力和机械制造和成型材料的应用中，这些材料可能不需要。

“这个项目的一个非常重要的方面是，我们有材料科学家、化学工程师和机器人工程师都参与其中，”埃利森继续说。“通过将我们的不同专业知识结合在一起，我们真正为这个项目带来了独特的东西，我相信没有一个人能够独自完成这一点。这是一个很好的例子，说明了如何使科学家能够解决真正困难的基本问题，同时也能产生技术影响。”

研究团队还包括明尼苏达大学化学工程和材料科学系的研究人员博兰·赵（博士后研究员）和洛林·弗朗西斯（科学与工程杰出教授）；以及明尼苏达大学机械工程系的研究人员蒂姆·科瓦列夫斯基（副教授）和马修·库巴拉（研究生）