三年前，迪士尼出品了動畫電影《超能陸戰(zhàn)隊》，其中的機器人大白，萌翻了廣大群眾。
大白是一種典型的軟體機器人，身體可任意變形。圖片來源: Disney Wiki
大白是一個醫(yī)療機器人，如果在材質(zhì)上分類，他屬于軟體機器人。傳統(tǒng)機器人大多采用金屬或塑料等材料制造，給人的感覺總是“硬邦邦”的。而軟體機器人往往非常柔軟，整個機體能任意彎曲變形，可以在管道或窄縫等特殊場景中發(fā)揮用處。
五花八門的軟體機器人。圖片來源：參考文獻[1]
目前，制造軟體機器人的材料通常是彈性高分子材料。這類材料彈性十足，然而卻很容易受損，特別是出現(xiàn)了微小缺口的時候，極易“惡化”，形成大面積破損。這也是包裝袋從小缺口處一撕就開的原理。
此外，大多數(shù)軟體機器人都不具有馬達等動力裝置，只能依靠壓縮空氣或液體驅(qū)動機體運動[2]，運行中的軟體機器人就如同一個吹鼓了的氣球。然而，軟體機器人的應(yīng)用場景往往充滿了尖銳的物體——比如管道或者狹窄空間的邊邊角角——也就是說，這個吹鼓了的氣球還必須在釘子堆里工作。可想而知，軟體機器人大多“短命”。
為了解決這一問題，來自比利時自由大學的研究人員提出了使用自修復（self-healing）材料來制造軟體機器人的構(gòu)想[2]。
自修復材料是指具有自愈合能力的智能材料，其靈感來源于受傷后能自我修復的生物體。這一概念在2001年一經(jīng)提出，立刻吸引了大量研究者的目光?，F(xiàn)如今，已經(jīng)有很多種自修復材料得到了應(yīng)用，比如汽車的自修復涂層，能愈合劃痕的手機蓋等。具備自修復能力的瀝青和混凝土，也走出了實驗室，正在準備進入建材市場。值得一提的是，極具潛力的人造皮膚首選材料也是可拉伸的自修復膜[3]。
在比利時自由大學的研究中，科學家們使用了一種高分子自修復材料。這種材料由兩種小分子（呋喃、馬來酰亞胺）通過Diels-Alder（DA）鍵相互連接形成。材料出現(xiàn)傷口，其實是這些DA鍵被切斷了。幸好，通過加熱，可以讓這些DA重新連接起來。具體來說，就是升高傷口部位的溫度（至80℃），破壞更多DA鍵。正所謂“不破不立”，這些DA鍵斷了后，釋放出很多可以自由運動的呋喃和馬來酰亞胺小分子。而且也因為溫度高的緣故，這些小分子的移動速度很快，如同熱鍋上的螞蟻。于是，這些自由奔跑的小分子們相互碰撞交融。之后把溫度降下來，小分子之間就可以生成新的DA鍵，自動愈合傷口。
基于DA反應(yīng)的自修復原理：紅臉的呋喃，綠臉的馬來酰亞胺。圖片來源：圓的方塊靈魂手繪
視頻：高倍顯微鏡下觀察材料的自修復過程
在高倍顯微鏡下，可以更為細致地觀測到這個愈合過程。畫面正中，一條切口將的材料分成了左右兩半，為了加強對比，研究者還將兩邊渲染成了不同的顏色。隨著溫度的逐漸升高，材料會“唰”地一下變色，這暗示著是更多DA鍵的斷裂。緊接著，將溫度降低，左右兩邊材料相交的界面開始重新粘結(jié)，顏色發(fā)生了明顯變化。隨著新DA鍵的產(chǎn)生，原本的切口會如同被一只無形的手所抹平。視頻來源：參考文獻[2]
科學家們將這種帶有自修復能力的高分子，加工成了一種由一排空腔和底層連接板組成的特殊構(gòu)造。其中，底層板中相應(yīng)位置有氣孔，可以向空腔內(nèi)注入或抽取空氣，讓空腔膨脹或者收縮。通過精確控制各個小空腔的體積，就可以實現(xiàn)空腔陣列的變形和移動。
自修復材料制作的氣動部件：空腔陣列和底層板。圖片來源：參考文獻[2]
隨后，研究人員用這一串串的空腔陣列，組裝出了兩種特殊的機器人。
第一種是自愈軟手。手型機器人在實際操作過程中往往碰到很多尖銳物體，如金屬邊緣或破碎的玻璃等。甚至一張紙的鋒利邊緣都會對這類軟體機器人造成傷害。但通過自修復材料做成的手型機器人，即使被刀片劃破，也能照常運行，極大提升了軟手的使用壽命。
視頻：具有自修復能力的機器軟手
具有自修復能力的機器軟手，即使戳破指頭也不妨礙運動。視頻來源：參考文獻[2]
第二種是氣動夾具類機器人。這類夾具類似夾娃娃機的機器手，因為非常靈活，可以處理各種軟物體或形狀復雜的物品，比如用來分裝水果或蔬菜。在這個過程中，水果的樹枝等往往會對夾具造成損害。使用DA聚合物材料的夾具，不僅能夠夾“萬物”，還不怕這種日常磨損。
自修復氣動夾具在夾取形狀不規(guī)則的各種物體。圖片來源：參考文獻[2]
除此以外，研究者們還測試了自修復材料作為氣動人造肌肉的潛力。這種人造肌肉經(jīng)常用作機器人的動力裝置，通過壓縮和排出空氣，可以產(chǎn)生很大的推力。當然，產(chǎn)生的力量越大，裝置外壁需要承受的壓力也就越大，這往往會導致磨損或泄漏，降低人造肌肉的生命周期。
于是，科學家嘗試了用DA聚合物膜作為人造肌肉的外壁。這層厚度僅為0.75mm的外壁，最高可承受高達37kPa的壓力。相當于一平方米的這種薄膜，可以承受一頭成年亞洲象的重量。即使被破壞了，這些人造肌肉也能自我修復，保持氣密性，維持原有的性能[2]。
受損的人造肌肉經(jīng)過自修復，仍能保持原有性能。圖片來源：參考文獻[2] | 翻譯：圓的方塊
如果軟體機器人達到了使用目的，想要回收材料怎么辦？這也好辦。DA聚合物不但可以溶解于有機溶劑，還能被重新提取，所以，一旦達到使用壽命，軟體機器人的這些自愈組件可以完全回收再利用。
生命周期長，還能被循環(huán)利用，可以說生的偉大，死的光榮了。
這項研究的通訊作者是布魯塞爾自由大學的教授Bram Vanderborght ，他本人長這樣！
Bram教授本人照片，圖片來源: Wtnschp.be
Bram教授是一個80后，研究領(lǐng)域包括人機交互，機器人輔助治療，人形康復機器人等。他還主導過一個機器人項目用來治療兒童自閉癥。簡言之，他就是在造大白??！
好吧，人贏，我服還不行嗎！
