美国哈佛大学韦斯生物启发工程研究所、哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学（SEAS）学院和波士顿大学的研究团队开发出一种能够支持软机器人设计的集成制造工艺，设计出机器人大小为毫米级，主要特征达到微米级。为了展示新技术的能力，研究人员受毫米大小的彩色澳大利亚孔雀蜘蛛启发，制造了一种机器软蜘蛛，使用单一弹性材料实现外形，运动和颜色特征，研究发表在《先进材料》上。
一种新的制造工艺可实现具有微米级特征的毫米级软机器人。图为一个带有可活动身体部位、彩色眼睛和腹部的小型软机器孔雀蜘蛛。（图片来源：哈佛大学维斯研究所）
机器人专家正设想一个未来，柔软的动物机器人可以安全地部署在难以进入的环境中，如人体内部或对人类而言太危险的空间，这些领域无法使用硬机器人。目前，已经制造出了厘米大小的软机器人，但仍未制造出能够以更小尺寸移动和操作的多功能柔性机器人。
研究人员研究出了被称为“可重置气动/液压用微流体折纸”（MORPH）的方法。在该（MORPH）器件中，团队首先使用软光刻技术生成12层弹性硅胶，这些硅胶共同构成了软蜘蛛的材料基础。每一层使用激光微加工技术从模具中精确切割出来，然后粘合到下面的一层，创建软蜘蛛的3D结构。
将这种中间结构转化为最终设计的关键是预先设想的集成到各个层中的中空微流体通道网络。使用被称为“注射诱导自折叠”的第三种技术，对这样一组带有来自外部固化树脂的集成微流体通道施加压力。这使单独的层及相邻层局部弯曲成它们的最终结构，当树脂硬化时，该结构固定在空间中。这样，如软蜘蛛鼓起的腹部和向下弯曲的腿成为永久特征。
第一作者Tommaso Ranzani博士说，“我们可以通过改变不同层上与通道相连的硅树脂材料的厚度和相对一致性，或者通过在距离通道不同距离处的激光切割，来精确控制这种类似折纸的折叠过程。在加压过程中，通道起着致动器的作用，引起永久性的结构变化。”Tommaso Ranzani博士是Wood集团的博士后研究员，现在也是波士顿大学的副教授。
剩下的一组集成微流体通道被用作额外的致动器，以使眼睛着色和通过注入有色液体模拟孔雀蜘蛛种类的腹部颜色图案，并引起腿部结构中的行走式运动。Ranzani说：“首个MORPH系统是在一个单一的整体工艺中制造的，可以在几天内完成，并且可以在设计优化工作中轻松迭代。”
该研究的作者之一Sheila Russo博士说：“最小的软机器人系统通常非常简单，只有一个自由度，这意味着它们只能在特定的形状或类型驱动一个变化。通过开发融合了三种不同制造技术的新型混合技术，我们创造了一种仅由硅橡胶制成的软机器人蜘蛛，具有18个自由度，可在结构，运动和颜色上进行变化，具有微米范围内的特征。”Russo曾在韦斯研究所和SEAS的Robert Wood小组担任博士后研究员，现在是波士顿大学的副教授。
Wood博士是韦斯研究所“生物启发软机器人”平台的核心教员和共同领导者，以及SEAS的Charles River工程和应用科学教授。Wood说：“在软机器人器件领域，这种新的制造方法为实现与相应硬机器人具备相同复杂性和功能等级的小尺寸软机器人铺平道路。在未来，它将比硬机器人更好地帮助我们模拟和理解小型动物中的结构与功能的关系”。
Wyss研究所创办负责人Donald Ingber说：“MORPH方法可以为那些更专注于医疗应用的研究人员开辟软机器人领域，这些机器人的小尺寸和灵活性可以为内窥镜和显微外科提供全新的方法，”Donald Ingber博士也是HMS血管生物学的Judah Folkman教授、波士顿儿童医院的血管生物学项目负责人和SEAS的生物工程教授。
该研究由哈佛大学的韦斯研究所，国防先期研究计划局（DARPA）和国防科学与工程研究生奖学金提供资金支持。
视频时长：2：57，大小：15M
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