人工水凝胶的突破对仿生机器人的发展有了更大的想象空间

根据最新一期《自然•通信》报道,美国德克萨斯大学阿灵顿分校(UTA)研究人员开发出一种新方法,可对二维(2D)水凝胶进行编程,使其以空间和时间可控的方式进行扩展和收缩,形成复杂的3D形状,并实现运动。研究人员表示,目前该技术的最大应用在于可能改变柔性工程系统或设备的设计和制作方式。但当我们对水凝胶有了更加深入的了解之后,我们对未来的生物机器人、仿生机器人的发展有了更大的想象空间。

        从1984年《终结者1》上映到2015年《终结者:创世纪》,30年的时间,好莱坞创造了“终结者”这个超级IP。这一系列电影带给我们最为震撼的莫过于其中外表与真人无异,但能力却大大超出想象的机器人,它们在钢铁构筑骨架的支持下,在超级电脑的通联帮助下,不光拥有人类的智慧与意识,更加成为一个个不死的战士。

人工水凝胶的突破对仿生机器人的发展有了更大的想象空间

电影照进现实,未来的机器人真能像“终结者”那么强大?真的可以做到与人类外表无一?这两个问题在昨天看来,回答起来或许还需谨慎,但是今天,随着水凝胶编程技术被开发出来,这两个问题的答案在我们心中已经明晰起来。

三问水凝胶:你是谁?你在哪儿?你去干什么?

我们在迷茫的时候,常常会自问自己:我是谁?我在哪儿?我去干什么?这三个问题同样适用于水凝胶,这是一种什么样的胶?它有什么过“胶”之处?凭什么说它就是改变生物机器人发展的关键?

根据百度百科的释义:水凝胶(Hydrogel)是以水为分散介质的凝胶。具有网状交联结构的水溶性高分子中引入一部分疏水基团和亲水残基,亲水残基与水分子结合,将水分子连接在网状内部,而疏水残基遇水膨胀的交联聚合物。是一种高分子网络体系,性质柔软,能保持一定的形状,能吸收大量的水。

如果将上面这段话精简,用通俗的话再描述一遍,那就是:水凝胶是一种能吸收并保持大量水分又不会溶解于水的亲水性网状高分子溶胀体。我们平时吃的果冻,敷的部分面膜,都跟它有关。水凝胶还广泛应用于其他领域,比如:干旱地区的抗旱;医药行业的退热贴、镇痛贴;农业领域的农用薄膜;建筑中的结露防止剂、调湿剂;石油化工中的堵水调剂,原油或成品油的脱水;在矿业中的抑尘剂;食品中的保鲜剂、增稠剂等等。

能让我们相信水凝胶技术会成为仿生机器人的关键一环在于其在生物医学领域的神奇应用和快速发展。

2013年,美国约翰·霍普金斯大学医学院报告称,他们开发出的水凝胶生物材料,在软骨修复手术中将其注入骨骼小洞,能帮助刺激病人骨髓产生干细胞,长出新的软骨。在临床试验中,新生软骨覆盖率达到86%,术后疼痛也大大减轻。

2015年,加拿大一个研究团队发表报告,水凝胶不仅有利于干细胞(Stem cell)移植,也可加速眼睛与神经损伤的修复。同年,美国加州大学圣迭戈分校的纳米科学工程师研发出含有能够吸附细菌毒素的纳米海绵水凝胶。在不使用抗生素的情况下,这种“纳米海绵水凝胶”能够把被抗药性金黄色葡萄球菌感染的小鼠皮肤上的损伤减小到最小。

2017年,新加坡南洋理工大学(NTU Singapore)和卡内基梅隆大学(Carnegie Mellon University)合作,研发出能长成像动物或植物组织一样的结构和形状的水凝胶。

进入到2018年,科学家已经可以制造出人造肌肉,还能3D 打印心脏,只是现有的水凝胶还不能很好的模仿生物组织的生长模式以及柔软的肌肉组织与刚硬的骨骼之间的互动模式。

所有的局限在人工水凝胶编程技术之下,都变得开阔起来。

让仿生机器人迷茫的第四阶段

在人工智能的风潮之下,马斯克在2017年的迪拜世界政府首脑会议上放出了“人应该与机器结合,变成半机器人”的惊世言论。看似天马行空,其实其背后有着缜密的科学依据——仿生机器人已经进入第三阶段,未来或将有新的突破。让马斯克没有预料到的是,这个突破可能会比他预想的要早一些,毕竟人类对于仿生机器人的研究已经接近2000年。

早在三国时期,诸葛亮发明的运输工具木牛流马就是仿生机器人的最早雏形,直至计算机技术的出现,仿生机器人的发展这才进入到快车道。正如《仿生机器人研究现状与发展趋势》中提到的,迄今为止仿生机器人已经经历了三个阶段。

第一阶段是漫长的原始探索时期,也是仿生机器人的混沌时期。

这一阶段主要是生物原型的原始模仿,如原始的飞行器,模拟鸟类的翅膀扑动,所有的机器动力都是靠人力驱动。1893年,Rygg设计出机械木马;1485年达芬奇模仿鸟类飞行,设计出扑翼飞行器……这些都是先人们在仿生机器人的原始阶段的探索成果。

至20世纪中后期,由于计算机技术的出现以及驱动装置的革新,仿生机器人进入到第二个阶段,宏观仿形与运动仿生阶段。

该阶段主要是利用机电系统实现诸如行走、跳跃、飞行等生物功能,并实现了一定程度的人为控制。其实,让机器人“站起来”容易,可让它们“走起来”,我们实际上是花了很长一段时间。20世纪60年代,日本早稻田大学研制的WAP、WL以及WABOT系列机器人仅仅只是在特定的条件下,让机器人实现了基本的行走功能;20年过去了,美籍华人郑元芳博士才在1986年研制出的美国第一台双足步行机器人SD-1以及其改进版SD-2。期间的历程可谓艰辛。

进入21世纪,随着人类对生物系统功能特征、形成机理认识的不断深入,以及计算机技术的发展,仿生机器人进入了第三个阶段,机电系统开始与生物性能进行部分融合,如传统结构与仿生材料的融合以及仿生驱动的运用。

于是,我们可以看到机器人们不光会走,还会跑、会跳了,机器人在运动的过程中,能够获取外界的环境信息进行分析处理躲避障碍,甚至在被人推倒时还会执行自我保护机制。2013年美国波士顿动力公司研制的“Petman”甚至还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生理学中的自我保护功能,在一定程度上已经具有了人类的生理特性。

但这一切都距离《终结者》系列电影中的“终结者”相去甚远,甚至连马斯克所说的“人与机器进行结合”都存在巨大的认知差距。

仿生机器人描绘中的第四阶段为,结构与生物特性一体化的类生命系统,强调仿生机器人不仅具有生物的形态特征和运动方式,同时具备生物的自我感知、自我控制等性能特性,更接近生物原型。可在第三阶段徘徊了许久,仿生机器人的第四阶段始终无法迈出更大步伐,直至AI的兴起和人工水凝胶编程技术的重大突破,这才让我们对仿生机器人充满了巨大的想象空间。AI为“脑”,人工水凝胶则赋予机器人无限可能的外表,甚至永生不灭的躯壳。用“完美”二字对此形容并不为过。

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