又软又暖的大白可能要进入三次元了！想要一个吗？

三年前，迪士尼出品了动画电影《超能陆战队》，其中的机器人大白，萌翻了广大群众。

大白是一种典型的软体机器人，身体可任意变形。图片来源: Disney Wiki

大白是一个医疗机器人，如果在材质上分类，他属于软体机器人。传统机器人大多采用金属或塑料等材料制造，给人的感觉总是“硬邦邦”的。而软体机器人往往非常柔软，整个机体能任意弯曲变形，可以在管道或窄缝等特殊场景中发挥用处。

五花八门的软体机器人。图片来源：参考文献[1]

目前，制造软体机器人的材料通常是弹性高分子材料。这类材料弹性十足，然而却很容易受损，特别是出现了微小缺口的时候，极易“恶化”，形成大面积破损。这也是包装袋从小缺口处一撕就开的原理。

此外，大多数软体机器人都不具有马达等动力装置，只能依靠压缩空气或液体驱动机体运动[2]，运行中的软体机器人就如同一个吹鼓了的气球。然而，软体机器人的应用场景往往充满了尖锐的物体——比如管道或者狭窄空间的边边角角——也就是说，这个吹鼓了的气球还必须在钉子堆里工作。可想而知，软体机器人大多“短命”。

为了解决这一问题，来自比利时自由大学的研究人员提出了使用自修复（self-healing）材料来制造软体机器人的构想[2]。

自修复材料是指具有自愈合能力的智能材料，其灵感来源于受伤后能自我修复的生物体。这一概念在2001年一经提出，立刻吸引了大量研究者的目光。现如今，已经有很多种自修复材料得到了应用，比如汽车的自修复涂层，能愈合划痕的手机盖等。具备自修复能力的沥青和混凝土，也走出了实验室，正在准备进入建材市场。值得一提的是，极具潜力的人造皮肤首选材料也是可拉伸的自修复膜[3]。

在比利时自由大学的研究中，科学家们使用了一种高分子自修复材料。这种材料由两种小分子（呋喃、马来酰亚胺）通过Diels-Alder（DA）键相互连接形成。材料出现伤口，其实是这些DA键被切断了。幸好，通过加热，可以让这些DA重新连接起来。具体来说，就是升高伤口部位的温度（至80℃），破坏更多DA键。正所谓“不破不立”，这些DA键断了后，释放出很多可以自由运动的呋喃和马来酰亚胺小分子。而且也因为温度高的缘故，这些小分子的移动速度很快，如同热锅上的蚂蚁。于是，这些自由奔跑的小分子们相互碰撞交融。之后把温度降下来，小分子之间就可以生成新的DA键，自动愈合伤口。

基于DA反应的自修复原理：红脸的呋喃，绿脸的马来酰亚胺。图片来源：圆的方块灵魂手绘

视频：高倍显微镜下观察材料的自修复过程

在高倍显微镜下，可以更为细致地观测到这个愈合过程。画面正中，一条切口将的材料分成了左右两半，为了加强对比，研究者还将两边渲染成了不同的颜色。随着温度的逐渐升高，材料会“唰”地一下变色，这暗示着是更多DA键的断裂。紧接着，将温度降低，左右两边材料相交的界面开始重新粘结，颜色发生了明显变化。随着新DA键的产生，原本的切口会如同被一只无形的手所抹平。视频来源：参考文献[2]

科学家们将这种带有自修复能力的高分子，加工成了一种由一排空腔和底层连接板组成的特殊构造。其中，底层板中相应位置有气孔，可以向空腔内注入或抽取空气，让空腔膨胀或者收缩。通过精确控制各个小空腔的体积，就可以实现空腔阵列的变形和移动。

自修复材料制作的气动部件：空腔阵列和底层板。图片来源：参考文献[2]

随后，研究人员用这一串串的空腔阵列，组装出了两种特殊的机器人。

第一种是自愈软手。手型机器人在实际操作过程中往往碰到很多尖锐物体，如金属边缘或破碎的玻璃等。甚至一张纸的锋利边缘都会对这类软体机器人造成伤害。但通过自修复材料做成的手型机器人，即使被刀片划破，也能照常运行，极大提升了软手的使用寿命。

视频：具有自修复能力的机器软手

具有自修复能力的机器软手，即使戳破指头也不妨碍运动。视频来源：参考文献[2]

第二种是气动夹具类机器人。这类夹具类似夹娃娃机的机器手，因为非常灵活，可以处理各种软物体或形状复杂的物品，比如用来分装水果或蔬菜。在这个过程中，水果的树枝等往往会对夹具造成损害。使用DA聚合物材料的夹具，不仅能够夹“万物”，还不怕这种日常磨损。

自修复气动夹具在夹取形状不规则的各种物体。图片来源：参考文献[2]

除此以外，研究者们还测试了自修复材料作为气动人造肌肉的潜力。这种人造肌肉经常用作机器人的动力装置，通过压缩和排出空气，可以产生很大的推力。当然，产生的力量越大，装置外壁需要承受的压力也就越大，这往往会导致磨损或泄漏，降低人造肌肉的生命周期。

于是，科学家尝试了用DA聚合物膜作为人造肌肉的外壁。这层厚度仅为0.75mm的外壁，最高可承受高达37kPa的压力。相当于一平方米的这种薄膜，可以承受一头成年亚洲象的重量。即使被破坏了，这些人造肌肉也能自我修复，保持气密性，维持原有的性能[2]。

受损的人造肌肉经过自修复，仍能保持原有性能。图片来源：参考文献[2] " 翻译：圆的方块

如果软体机器人达到了使用目的，想要回收材料怎么办？这也好办。DA聚合物不但可以溶解于有机溶剂，还能被重新提取，所以，一旦达到使用寿命，软体机器人的这些自愈组件可以完全回收再利用。

生命周期长，还能被循环利用，可以说生的伟大，死的光荣了。

这项研究的通讯作者是布鲁塞尔自由大学的教授Bram Vanderborght ，他本人长这样！

Bram教授本人照片，图片来源: Wtnschp.be

Bram教授是一个80后，研究领域包括人机交互，机器人辅助治疗，人形康复机器人等。他还主导过一个机器人项目用来治疗儿童自闭症。简言之，他就是在造大白啊！

好吧，人赢，我服还不行吗！