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全軟體機器人,可以植入體內(nèi)幫助衰竭心臟泵血啦

摘要:軟體機器人可以僅用空氣來驅(qū)動,有的軟體機器人是采用紙質(zhì)和硅橡膠制成,能夠彎曲、扭轉(zhuǎn)和抓起自身重量100多倍的物體。Octobot靠的是液體和氣體,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮,借助壓強變化,實現(xiàn)機械臂的運動。

這個全軟體的機器人叫“Octobot”,是哈佛研究人員設(shè)計研發(fā)的世界首款完全獨立的,能夠自主移動的全軟體機器人。

Octobot獨立運動能力來自化學(xué)反應(yīng)

Octobot是獨立的,因為它沒有硬電子元件,也沒有電池或計算機芯片。況且這個手掌大小,像章魚一樣的家伙根本不需要連接計算機就能移動。

軟體機器人可以僅用空氣來驅(qū)動,有的軟體機器人是采用紙質(zhì)和硅橡膠制成,能夠彎曲、扭轉(zhuǎn)和抓起自身重量100多倍的物體。Octobot靠的是液體和氣體,通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮,借助壓強變化,實現(xiàn)機械臂的運動。

Octobot的“大腦”部分是柔性微流體回路,可以用由壓強激活的閥門和開關(guān),在通道內(nèi)傳導(dǎo)液體燃料。這種液體燃料是50%濃度的過氧化氫溶液,它會在鉑的催化下快速生成大量的水和氧氣,生成物的體積比原本的反應(yīng)物大,從而改變通道內(nèi)的壓強。章魚機器人的機械臂受到突然增大的壓強影響,會膨脹舒展,從而實現(xiàn)機械臂的運動。排氣孔同時保證氧氣最終會通過排氣孔排出。

50%質(zhì)量比的過氧化氫在鉑金屬粉末的催化下迅速釋放氧氣

Octobot可以連續(xù)性的自主運動

如何保證軟體機器人Octobot不是只做一次性的運動呢?

研究團隊的設(shè)計是把機器人的八只機械臂分為兩批(四只機械臂為一批),機械臂中設(shè)置了閥門和開關(guān)。啟動Octobot需要實驗者的協(xié)助,將過氧化氫分別注入到兩個儲液槽中,這兩個儲液槽分別對應(yīng)一批機械臂。注入后,儲液槽會像氣球一樣會慢慢膨脹,并利用壓強差將過氧化氫通過微流體回路。這時,由于壓強的變化,有些機械臂的控制點會打開,剩余的會關(guān)閉,以此確保同一時間只有一半機械臂流通燃料。隨著燃料的消耗,所流通的機械臂內(nèi)部壓強會下降,使得燃料轉(zhuǎn)而流向另半部分原本關(guān)閉通道的機械臂。如此往復(fù),通過精巧的閥門開關(guān)設(shè)計,利用不斷變化的壓強差,燃料進行來回流通,Octobot能保持機械臂在一段時間內(nèi)的自主運動。

通過Octobot的工作機制可以看到,它內(nèi)部的通道扮演著重要的角色,是它的“大腦”和機械臂進行“通信”的渠道。這些通道都由3D打印而成,打印過程也很有趣。研究者們在章魚形狀的模具中倒入了有機硅聚合物,又在聚合物中注入一種特殊的墨水,這種墨水可以在聚合物中保持形狀和位置。加熱后,墨水會蒸發(fā),留下了Octobot內(nèi)部的通道網(wǎng)絡(luò)。制造Octobot的材料成本也很低,只需不到3美元,每份燃料大約僅5美分,這讓大規(guī)模應(yīng)用免去對高成本的顧慮。

Octobot可以植入體內(nèi)幫助泵血

近日,哈佛大學(xué)研究小組聯(lián)合波士頓兒童醫(yī)院以及其他參與機構(gòu)發(fā)布了可植入軟體機器人的相關(guān)細節(jié),據(jù)說這款機器人可以為衰竭的心臟在無需接觸血液的情況下泵血。

傳統(tǒng)而言,我們會將心室輔助裝置(VAD)作為衰竭心臟的血液分流支路。該裝置會將血液從心臟中直接引出,然后將之泵回分布在身體周圍的主動脈或肺動脈。由于VAD內(nèi)的血液會與管、泵等一些人體器官表面接觸從而增加凝血風(fēng)險,那些基于VAD治療的患者往往必須服用血液稀釋劑與一些需要仔細查看的藥物——余生都是如此。

Octobot的誕生還是源于波士頓兒童醫(yī)院的一名心臟外科醫(yī)生FrankPigula的想法——研究輔助心衰患者治療而無需接觸血液裝置。Pigula當(dāng)時和哈佛大學(xué)研究生EllenRoche以及其哈佛生物設(shè)計實驗室顧問ConorWalsh一起頭腦風(fēng)暴,認為軟體機器人應(yīng)該是一個很好的方向。

研究人員為解決心臟排異的問題進行了機器人的多次迭代。他們在合成心臟和死豬體上進行測試,利用減緩心臟跳動的藥物在心力衰竭的活豬體內(nèi)進行了概念驗證性研究,設(shè)備與心臟接觸時成功將血流量恢復(fù)到基準水平。

雖然當(dāng)時的模型實驗證明了方案的可行性,但將機器人植入人體進行試驗尚需時日研究。

Roche最終目標是創(chuàng)造一個不僅能夠在患者等待移植期間提供幫助,而且能夠減少心臟負荷從而使其有足夠的時間治愈的套管,“這是一項假設(shè),但也許你最終可以憑借它快速恢復(fù)甚至痊愈,”Roche說。“但我也不是說自己一定能成功。”

軟體機器人應(yīng)用前景

作為一項新的交叉研究,柔性體機器人結(jié)合了柔性電子、仿生力學(xué)、生物學(xué)、智能高分子材料、人工智能、3D打印等前沿科學(xué)技術(shù)。李鐵風(fēng)告訴記者,軟體機器人有許多優(yōu)勢。它的硬度、柔軟度和可拉伸程度跟人體的皮膚和肌肉很接近,當(dāng)它穿在人身上,跟人互動接觸時,親和性很好。軟體機器人受到外界沖擊和破壞時不易損傷。軟體機器人容易被先進的技術(shù),比如3D打印等方式來制造,成本比較低廉,可以像硅膠、橡膠等玩具一樣被大批量制作。

軟體機器人能作為可穿戴的動力護具,比如假肢、人造外骨骼。在地震現(xiàn)場,它也可以承擔(dān)探索和探測的任務(wù)。另外,它還可以作為教育用品和玩具。

研究人員指出,雖然軟體機器人仍處于萌芽和起步階段,但它或許能在很多領(lǐng)域“大展拳腳”,比如維修和檢測設(shè)備、執(zhí)行搜救行動以及進行環(huán)境探測,甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。

根據(jù)前瞻產(chǎn)業(yè)研究院對軟體機器人的市場規(guī)模預(yù)測,2016年用于維修和檢測設(shè)備的軟體機器人市場規(guī)模達到3876億元,相對去年的市場規(guī)模增速為16.4%。

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