未来的机器人不仅可以在工厂工作 还可以做更多的事情

过去，机器人只能在工厂里做重活或细活。现在，波士顿动力公司的柔性四足机器人Spot可以被公司租用来执行各种实际任务，这表明近年来人机交互变得多么普遍。

Spot虽然多才多艺、健壮，但被社会视为传统机器人，即金属和硬塑料的混合体。许多研究人员坚信，能够安全、物理地与人互动的软机器人(例如，通过抓取和移动物体来提供室内帮助)，将与硬机器人一起为未来创造条件。

软机器人技术和可穿戴计算机都是人类交互的安全技术，都需要新的材料，这些材料必须柔软、可拉伸并具有多种功能。我和同事在卡内基梅隆大学的软件实验室研究这些多功能材料。我们最近与合作伙伴一起开发了这样一种材料，它独特地结合了金属、软橡胶和形状记忆材料的特点。

这些柔软的多功能材料(我们称之为它们)可以导电、检测损坏和自我修复。它们还可以感知触觉，并根据电刺激(如人造肌肉)改变形状和硬度。从很多方面来说，这就是开创性的研究人员考斯克巴特查亚和理查德詹姆斯所说的：“材料就是机器。”

使材料智能化

物质是机器的观点可以体现在智能的概念中。这个术语经常被用来描述相互连接的材料系统，比如膝盖肌腱。跑步时，每次脚踩在地上，肌肉都能伸展放松适应，无需任何神经控制。

还可以考虑在材料中嵌入智能——无需传感器和处理单元等嵌入式电子设备就能感知、处理和响应其环境的智能。

一个简单的例子是橡胶。在分子水平上，橡胶包含缠绕在弦上的分子弦。拉伸或压缩橡胶会移动并解开绳子，但它们的连接会迫使橡胶弹回到原来的位置，而不会永久变形。橡胶“知道”其原始形状的能力包含在材料结构中。

因为适合人机交互的工程材料在未来将需要多功能性，研究人员试图在橡胶和其他材料中建立一个新的智力水平(不仅仅是拉伸)。最近，我的同事创造了一种嵌入橡胶的自愈电路。

他们首先将包裹在电绝缘“皮肤”中的微小液态金属液滴分散在整个硅橡胶中。在原始状态下，皮肤的薄金属氧化物层可以防止金属液滴导电。

然而，如果嵌入金属中的橡胶受到足够的力，液滴将破裂并聚结形成导电路径。任何印在橡胶上的电线都会自行愈合。在另一项研究中，他们表明自我修复机制也可以用来检测损伤。损坏的地方形成了新的电线。如果有电信号通过，则表明损坏。

液态金属和橡胶的结合为材料感知和处理环境提供了一种新的方式——一种新的智能形式。液态金属的重排使材料“知道”何时由于电响应而发生损坏。

形状记忆是体现在材料中的智能的另一个例子。这意味着材料可以可逆地变成特定的形式。形状记忆材料是软体机器人直线运动的理想选择，可以像二头肌一样来回运动。但它们也提供独特而复杂的形状改变功能。

例如，最近，两组材料科学家演示了如何将一类材料从平坦的橡胶片可逆地转换成面部的3D地形图。对于传统的电机和齿轮来说，这是一个伟大的壮举，但是对于这样的材料来说，由于材料固有的智能，这是非常简单的。研究人员使用了一种叫做液晶弹性体的材料，有时被称为人造肌肉，因为它们可以通过加热、发光或通电来膨胀和收缩。