將一個彈性球（橙色）包裹在一層小機器人（藍色）中，研究人員可以對形狀和行為進行編程。信用: Jack Binysh

物理學家們發(fā)現(xiàn)了一種新的方法，用材料包裹軟體機器人，使它們能夠以一種更有目的性的方式移動和運作。由英國巴斯大學領導的這項研究今天在《科學進展》上進行了描述。

該研究的作者認為他們對 "活性物質(zhì) "的突破性建模可能標志著機器人設計的一個轉(zhuǎn)折點。隨著這一概念的進一步發(fā)展，有可能不是通過軟體的自然彈性，而是通過人類對其表面的控制活動來決定其形狀、運動和行為。

普通軟質(zhì)材料的表面總是縮成一個球體。想想水珠變成水滴的方式：水珠的發(fā)生是因為液體和其他軟質(zhì)材料的表面自然收縮成最小的表面積--即球體。但是，活性物質(zhì)可以被設計成與這種趨勢背道而馳。這方面的一個例子是，一個橡膠球被一層納米機器人包裹著，這些機器人被編程為統(tǒng)一工作，將球扭曲成一個新的、預先確定的形狀（例如，一個星星）。

人們希望，活性物質(zhì)將導致新一代的機器，其功能將自下而上。因此，這些新機器將由許多單獨的活性單元組成，它們合作決定機器的運動和功能，而不是由中央控制器控制（今天工廠里的機械臂的控制方式）。這類似于我們自己的生物組織的工作原理，如心肌中的纖維。

利用這一想法，科學家們可以設計出軟體機器，其手臂由柔性材料制成，由嵌入其表面的機器人提供動力。他們還可以通過在納米顆粒的表面涂上反應靈敏的活性材料，定制藥物輸送膠囊的大小和形狀。這反過來可以對藥物與體內(nèi)細胞的相互作用產(chǎn)生巨大的影響。

有關活性物質(zhì)的工作挑戰(zhàn)了液體或軟固體表面的能量成本必須總是正數(shù)的假設，因為創(chuàng)造一個表面總是需要一定的能量。

研究的第一作者Jack Binysh博士說："活性物質(zhì)使我們以新的眼光來看待熟悉的自然規(guī)則--像表面張力必須是正值這樣的規(guī)則。看看如果我們打破這些規(guī)則會發(fā)生什么，以及我們?nèi)绾文軌蚶眠@些結(jié)果，這是一個令人興奮的研究場所。"

通訊作者Anton Souslov博士補充說："這項研究是一個重要的概念證明，具有許多有用的意義。例如，未來的技術(shù)可以生產(chǎn)出柔軟的機器人，這些機器人的體積要小得多，而且能更好地拿起和操縱脆弱的材料。"

在這項研究中，研究人員開發(fā)了理論和模擬，描述了一個三維軟體，其表面經(jīng)歷了主動應力。他們發(fā)現(xiàn)，這些主動應力擴大了材料的表面，將下面的固體一起拉動，并導致全局形狀變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，固體所采用的精確形狀可以通過改變材料的彈性特性來定制。

在這項工作的下一階段--已經(jīng)開始了--研究人員將應用這一一般原理來設計特定的機器人，如軟臂或自游泳的材料。他們還將研究集體行為--例如，當你有許多活性固體，都擠在一起時會發(fā)生什么。