会出汗的机器人击退高温

电子设备无法承受高温。这就是为什么电脑依赖风扇，汽车引擎需要散热器。但是这些冷却设备必然是刚性的，这使得它们不适合由弹性、柔性塑料而非金属制成的软机器人。因此，一些康奈尔大学的研究人员从汗液中获得灵感，开发出一种柔软的机器人抓手，当温度升高时会自动开始出汗。

由于其柔软的结构，软机器人有时比金属机器人更具适应性和耐用性，并且不太可能造成伤害。然而，这些机器的柔性材料也可能使其容易受到高温的影响。许多软机器人中使用的聚合物比金属保持热量的时间更长，并且当温度改变时，它们的刚度也会发生变化。这些特性会影响机器人的弯曲方式，从而影响它们抓取物体的能力。赋予它们出汗这种古老的特性可能会有所帮助。

“我认为这是一个非常好的主意，”意大利圣安娜高级研究学院生物机器人研究所的软机器人专家塞西莉亚·拉斯基说，她没有参与这项新研究。“这个领域的主要贡献之一是真正让我们想象出这种具有栩栩如生的能力的机器人，这是以前用传统机器人技术无法实现的。”

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出汗不仅栩栩如生，而且是一种非常高效的冷却方法。“在正确的条件下，优秀的马拉松运动员已知每小时会失去近四升汗液，”该研究的合著者托马斯·瓦林在最近的新闻发布会上说，他当时是康奈尔大学的博士候选人，现在是Facebook Reality Labs的材料科学家。“这相当于大约2.5千瓦的冷却能力。”他补充说，相比之下，一台家用冰箱在一小时内消耗约1千瓦的能量。

研究人员认为这种技术特别适合软机器人。为了移动并与周围环境互动，许多此类设备使用液压系统将水泵入一个类似气球的“手指”中，该手指通常由水凝胶等材料（一种富含水的聚合物）制成，使其膨胀并以可预测的方式弯曲。在抓手手指上添加孔隙将使其释放一些水作为汗液。但是液体必须以可控的方式渗出，否则抓手会太快放气。

为了控制这个过程，康奈尔大学的团队用“智能凝胶”制造了他们的三叉抓手机器人，当温度升高时，智能凝胶的大小会发生变化。研究人员还能够通过选择可以使用称为多材料立体光刻的工艺进行3D打印的材料来构建每个空心手指。对于手指结构本身的主体，瓦林和他的同事使用了一种名为PNIPA的聚合物，当温度达到约40摄氏度时，该聚合物开始收缩。对于面向外侧的一面，他们转向了一种名为丙烯酰胺的化学物质，该物质在高温下会膨胀。他们给了手指的这个部分一个旨在促进蒸发的纹理，并在其上穿孔了五分之一毫米宽的微小孔隙。当手指加热时，它们的体积会缩小，孔隙会扩大，将液体内容物通过孔挤压出来。

“这种合成策略的最好之处在于热调节性能基于材料本身，”瓦林在新闻发布会上说。“我们不需要添加传感器或其他组件来控制出汗率。当局部温度高于转变温度时，孔隙会自动打开和关闭。”

他和他的同事还设计了一种不流汗的抓手版本，用作控制装置。为了比较机器人散热的能力，他们使用两台机器人在风扇吹过它们的同时捡起热物体。出汗的抓手以比干燥的抓手快六倍的速度降低温度，以每千克体重107瓦的速度冷却自身，据研究人员称，这比出汗动物的温度调节效率高三倍。这项研究本周发表在《科学机器人》上。

这个概念确实有一些问题需要解决。首先，为出汗孔隙供水的同一水库也提供了手指弯曲的能力。这种安排意味着，当液体从手指滴出时，控制系统必须修改设备中的压力，以弥补损失的体积。然而，该团队发现，即使储备的水较少，手指仍然可以以所需的角度弯曲。另一个问题是，当抓手被光滑的水覆盖时，它们的摩擦力会降低。研究人员建议，未来的版本可能由一种在潮湿时会起皱的材料制成，就像人类的手指一样，从而增加抓握能力。最终，目前的原型是一个概念验证：它证明了排汗是软机器人的一种可行的冷却方法，并为科学家提供了一个他们可以继续修改和改进的平台。

拉斯基指出，除了抓握之外，软机器人还具有广泛的潜在应用。“其中之一是生物医学领域，因为你可以将软机器人应用于手术、康复和帮助人们，”她说。拉斯基补充说，因为它们与脆弱的人体更兼容，所以这些类型的机器人在机器必须与人直接接触的情况下表现良好。研究人员还在研究可以探索和监测新环境的软机器人。许多这些机器使用水或其他液体来移动它们的部件，而康奈尔大学研究人员的新出汗方法可能非常适合其中一些机器。“流体驱动在软机器人领域非常流行，因此有很多情况下可以应用他们的想法和解决方案，”拉斯基说。“从这个意义上说，我认为它非常强大。”