这款 3D 打印的柔软机械手击败了超级马里奥兄弟的第一关。

马里兰大学的一个工程师团队制造了一个三指柔软的机械手，它足够灵活，能够操纵任天堂控制器上的按钮和方向键——甚至设法击败了超级马里奥兄弟的第一关。根据最近发表在《科学进展》杂志上的一篇论文，概念证明。同一个团队还使用与生产机械手相同的多材料 3D 打印工艺制造了两只柔软的机器龟（龟龟是 UMD 的官方吉祥物）。我们传统上认为机器人是由坚硬的刚性材料制成的，但软机器人的子领域采用了不同的方法。它试图用更灵活的材料制造机器人设备，以模仿在活体动物身上发现的特性。用柔软的材料制造机器人的整个身体可以获得巨大的优势，例如足够灵活，可以挤过狭窄的空间，在灾难发生后寻找幸存者。软机器人在假肢或生物医学设备方面也具有强大的潜力。即使是刚性机器人也依赖一些软部件，例如用作减震器的脚垫或柔性弹簧来储存和释放能量。哈佛研究人员在 2016 年建造了一个完全由柔性材料制成的受章鱼启发的软体机器人。但是软机器人更难精确控制，因为它们非常灵活。在“octobot”的情况下，研究人员用微流体电路代替了刚性电子电路。这种电路涉及通过电路的微通道调节水（液压）或空气（气动）的流量，而不是电力，使机器人能够弯曲和移动。尽管这个解决方案很巧妙，但它也带来了一系列挑战。这些包括高成本（需要洁净室设施）和制造这些微流体系统所需的时间，然后将它们作为一个整体与系统集成。 “最近，有几个小组试图利用流体回路来增强软机器人的自主性，”合著者鲁本·阿塞维多说。 “但构建这些流体回路并将其与机器人集成的方法可能需要数天到数周的时间，需要高度的体力劳动和技术技能。”作为一名本科生，Acevedo 在马里兰大学机械工程师 Ryan D. Sochol 的实验室工作，他的兴趣是超越手动将流体电路组件连接到软机器人，而是将这些功能直接嵌入到软机器人系统中。他的团队在 PolyJet 3D 打印中找到了答案，其中几个不同的材料层相互堆叠。打印机放下一层液体，让它凝固，然后放下下一层，依此类推。 “通过允许定制特定特征的材料特性以补充所需的功能，结合刚性不同的材料有助于提高性能，”Sochol 等人。在他们的论文中写道。隔膜和 O 形环等组件必须能够在操作过程中变形，因此使用柔软的类似橡胶的材料来制造它们，而选择更坚硬的类似塑料的材料来制造需要稳定的组件（流体通道、接入端口和结构外壳，例如）。最后，该团队在打印过程中使用水溶性材料作为脚手架，然后将其从外部和内部的空隙和通道中移除——首先用水溶解材料，然后手动移除任何剩余的脚手架材料。微流体控制的软机器人通常需要为每个独立操作的软执行器提供不同的控制输入。通过集成流体回路，UMD 团队可以通过在低、中和高之间改变压力强度来操作手。换句话说，单个流体源可以通过改变压力来发送不同的信号，因此每个手指都可以独立移动。更好的是，手和两个乌龟机器人的一步 3D 打印过程——包括软执行器（运动部件）、流体回路和机器人身体——只需要几个小时，而不是几天或几周。

该团队通过让它玩超级马里奥兄弟来测试机械手的性能。为了让马里奥走路，团队使用了低压，所以只有第一根手指按下控制器。研究人员使用中等压力使马里奥奔跑，使用高压使手按控制器上的正确按钮使马里奥跳跃。至于他们为什么选择《超级马里奥兄弟》，索科尔告诉《科学美国人》，这是他小时候玩的第一款任天堂游戏。但这个选择不仅仅是怀旧的问题。游戏的时间和细节已经确定；机器人手只需要根据预编程的动作来计时。失败会带来实际后果：一个错误就会让马里奥丧命。手的表现如此出色，在不到90秒的时间里就成功闯关了第一关。 “我们免费共享我们所有的设计文件，以便任何人都可以轻松下载、按需修改和 3D 打印——无论是使用他们自己的打印机还是通过像我们这样的打印服务——我们工作中的所有软机器人和流体电路元件，”Sochol 说，他估计使用 GitHub 上团队的软件打印自己的软机器人将花费大约 100 美元。 “我们希望这种开源 3D 打印策略将扩大具有集成流体回路的软机器人的可访问性、传播性、可重复性和采用范围，进而加速该领域的进步。”