化学抓爪机蒸汽暴露使软执行器能够执行多种任务

沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)的科学家开发出一种微型“抓娃娃机”，当它接触到化学蒸汽时，能够抓起和放下弹珠大小的球。

该研究结果于7月12日发表在《化学》杂志上，指出一项技术可以使软执行器(机器中使机器移动的部件)执行多项任务，而无需额外的昂贵材料。

虽然现有的软致动器可能是仅限于一种运动类型的“单招小马”，但这种新型复合薄膜可以根据所暴露的蒸汽以不同的方式扭曲自身。

“它可以根据分子相互作用进行弯曲和拉伸，这在这个尺寸范围内非常复杂，”作者、阿卜杜拉国王科技大学化学教授NiveenM.Khashab说道。

“我们希望我们的研究成果能用于开发能够在各种环境中实现精确和适应性运动的先进软机器人系统，”她说，并表示该系统可用于医疗设备、工业自动化以及用于测量温度、空气质量和湿度的工具。

为了测试抓娃娃机执行多项任务的能力，研究人员首先将其暴露在丙酮中。在这种蒸汽存在的情况下，该设备会抓住一个红色棉球并伸展，以便将其扔进盒子里。当团队将机器暴露在乙醇蒸汽中时，它抓住棉球并将其从盒子中取出。

与“硬机器人”中由金属或硬质塑料制成的刚性执行器不同，软执行器具有灵活性，使其能够执行刚性执行器无法完成的一系列任务。

因此，软执行器已成为精准农业、深海探索和可穿戴设备等尖端应用的首选技术。

但软执行器仍然有局限性——它们可以弯曲、扭曲或伸展，但没有一个执行器可以以多种方式移动，这使得它们无法执行更复杂的任务，从而无法实现更广泛的用途。

虽然研究人员最近尝试了执行器设计，以赋予设备更大的运动范围，但其中许多策略涉及组合不同的材料，这使得它们成本高昂且难以制造，同时也增加了发生机械故障的风险。

为了克服这一挑战，Khashab和同事开发了一种爪机，它由含有机化合物尿素分子笼的聚合物基质制成。

研究人员之所以选择尿素作为笼子，是因为这种化合物可以形成多重氢键，使尿素分子在暴露于蒸汽中的不同分子时能够快速重新配置。因此，这种材料的性质可以得到精确控制，从而易于定制。

作者写道，研究结果表明，制造该机器的材料可以“通过合理控制蒸汽刺激的类型和浓度进行有效编程，以实现复杂的运动”。

“最引人注目的发现是独特的驱动行为，即软驱动器执行涉及‘弯曲、拉伸和回复’的复杂运动，这以前从未被报道过，”Khashab说。

她说，接下来，Khashab和同事计划研究抓娃娃机的能量密度以及它转换能量的效率，以便提高其性能。Khashab表示，他们还将测试当软致动器与产生电荷的材料结合时其产生电信号的能力，最终目标是开发柔性可穿戴电子设备。