莱斯大学开发泡沫流控技术 用于下一代可穿戴设备和软机器人

盖世汽车讯 提到下一代可穿戴设备和机器人，人们可能不会首先想到沙发垫中的填充泡沫。然而，据外媒报道，莱斯大学（Rice University）的研究人员证明，在基于柔软织物的可穿戴系统中，像空气流经开孔泡沫网状结构这样简单的东西，可用于执行数字计算、模拟传感和数字模拟组合控制。

（图片来源：莱斯大学）

机械工程学助理教授Daniel Preston表示：“这项研究利用基于流体流经软泡沫（the flow of fluid through soft foams）的简单方法，将材料智能（材料感知和响应环境的能力）与电路驱动逻辑（circuit-driven logic）集成在一起。”

在软体机器人和可穿戴设备中，气动逻辑电路的传统设计方式类似于电子电路，即通过连接元件将电阻、电容器、二极管和闸门（gates）等单个组件连接在一起。这类传统架构依赖于互连逻辑门，这是数字系统中的基本构建模块，可将一个或多个输入转换为单个输出。

在之前的工作中，Preston Innovation Laboratory开发了一种方法，通过气动逻辑电路（pneumatic logic circuits）对纺织可穿戴设备进行无电子控制。然而，这种最初的方法并未发挥软材料的固有特性，以充分提高线路设计效率。Preston表示：“任务或操作越复杂，通常需要的逻辑门数量就越多。”

在实际应用中，这可能会使设备更重、更昂贵、更难制造，也更容易发生故障。为了解决这个问题，研究人员探讨如何利用空气流过泡沫板微孔产生的压力差，以通过更经济的线路设计来执行复杂的气动计算和控制任务。这项研究的主要作者Anoop Rajappan表示：“我们展示了软材料本身的属性，比如泡沫板的海绵状或孔隙率，可用于实现流体控制任务，比如感知用户施加的力度，或将数字压力信号转换为模拟信号，从而减少对流控逻辑门的依赖并简化操作。”

与液体不同，空气的密度随压力而改变，因此使得通过泡沫板的气流建模更加复杂。尽管如此，研究人员还是迎难而上。Rajappan表示：“我们开发理论框架来分析通过多孔材料中的气体流动，创建新的实验技术来测量泡沫的流体特性，并最终生成了泡沫流体电阻随外加力变化的模型。”

研究人员设计出泡沫基流体电阻器（fluidic resistors）设备，用于限制气动回路中的气流，就像电阻器限制电子电路中的电流一样。这些设备可用于创建二维气动逻辑电路，以嵌入基于织物的可穿戴设备。

研究人员认为，莱斯大学的这项工作为多个领域做出了真正的贡献。Rajappan表示：“通过重新设计电阻器等线路组件，以利用泡沫等软材料的流体特性，我们可以制造可靠且精简的软机器人和由气动驱动的可穿戴设备，从而减少对笨重或刚性组件的依赖性，如电机和电池。举例来说，可穿戴机器人设备可以为行动不便的用户提供帮助，而利用织物来制造可穿戴设备，并使用压缩空气为其赋能，可使它们舒适、轻便、成本低且不显眼。”