近日，據路透社報導，新加坡研究人員開發了一種智能泡沫材料（smart foam material），可以讓機器人感知附近的物體，並在損壞時自我修復，就像人類皮膚一樣。這種智能泡沫被稱為AiFoam（Artificially innervated foam），是一種高彈性聚合物（elastic polymer），由含氟聚合物（fluoropolymer）與降低表面張力的化合物（compound that lowers surface tension）混合而成。

新加坡國立大學的研究人員稱，這使得AiFoam在受到切割時很容易融合成一塊（自我修復）。

▲AiFoam

該研究論文題目為《人工神經支配的自愈泡沫作為合成壓電阻抗傳感器皮膚（Artificially innervated self-healing foams as synthetic piezo-impedance sensor skins）》，該研究成果已於2020年11月在Nature Communications雜誌上發表。

一、智能泡沫材料製作步驟多，調配困難

智能泡沫這種新材料雖然功能很強大，但製作起來可是相當有困難。不信你看著步驟：

1.需要將含氟表面活性劑(Zonyl FS-300) 放在70°C 的烘箱中乾燥。

2.將兩克聚（偏二氟乙烯）-共六氟丙烯（PVDF-HFP）（3M）溶解在丙酮中並攪拌至少4小時。

3.向溶液中加入1.7ml含氟表面活性劑並攪拌24小時。

4.將46微升1,3-二氨基丙烷(DAP) 滴加到攪拌溶液中，在反應30分鐘後，溶液將變成淡黃色。

5.將μNi微粒添加到溶液中，並使用SpeedMixer (FlackTek)在2500rpm下將溶液混合2.5分鐘。

6.將混合物澆鑄到2.5×5×0.2cm 的玻璃模具（寬×長×高）中。

7.然後將材料置於加熱板上，在70°C 下加熱30 分鐘，通過蒸發丙酮來自發泡。

8.為了交聯聚合物，將材料加熱至120 °C 並保持30 分鐘。

通過加熱攪拌再加熱的複雜程序，智能泡沫就做好了，製作方法是真的很困難呢！

▲製作AiFoam

二、被破壞後能自癒合，還能被拉伸近兩倍

受人類體感神經支配結構（architecture of the human somatosensory innervations）的啟發，團隊提出了一種新結構，該結構使用三維金屬線電極（three-dimensional (3D) metal wire electrodes）作為“神經”，嵌入到低模量（low-modulus）的自愈泡沫中。與其他基於泡沫的傳感器相比，團隊合成的自修復泡沫材料僅有600kpa的低模量（低模量的拉伸模量MPa≤0.4或≤0.6），並且具有彈性，可為接觸力傳感器提供恢復力。

據研究人員介紹，“在四天內將其加熱至70 攝氏度，該材料癒合了大約70％，並且仍可以拉伸到其長度的幾乎兩倍（180％）。”

▲AiFoam能夠自癒合

三、模擬“人類的觸覺”，使得互動更加智能

為了複製人類的觸覺，研究人員在這種材料中註入了微小的金屬顆粒，並在泡沫表面下方添加了微小的電極。當施加壓力時，金屬顆粒在聚合物基體中靠攏，改變了它們的電性能（electrical properties）。新加坡國立大學的Benjamin CK Tee教授表示，這些變化可以通過計算機的電極檢測到，然後發出指令告訴機器人該做什麼。

“當我將手指移到傳感器附近時，您可以看到傳感器正在測量我的電場變化，並對我的觸摸做出相應的響應，”他說。此功能使機器人的“手”不僅可以檢測到力的大小，還可以檢測到受力方向，從而可能使機器人更加智能和互動。

▲測試AiFoam的“觸覺”

四、團隊希望該材料在五年內投入使用

Benjamin CK Tee表示，AiFoam 是同類產品中第一個將自愈特性（self-healing properties）、近距離感應（proximity）和壓力（pressure）感應相結合的產品。經過兩年多的開發，他和他的團隊希望這種材料能在五年內投入實際使用。

據了解，團隊希望將AiFoam 應用於機器人和假肢等領域，以實現人機之間更多交互的可能性。

▲使用AiFoam的機器人手臂

結語：AiFoam為機器人的智能化和互動性提供了更多可能

AiFoam通過模擬人類的觸覺實現了對周圍環境的高感知，而材料特有的自我修復特性以及對接觸力的敏感性，將使機器人能更好地判斷人類的意圖。

使用該材料研發的新一代的機器人，將有可能對環境變化做出更快速、更有效的反應。

目前，科學家研究的機器人皮膚主要分為兩個方向。一個方向是外觀，將機器人皮膚創作的近似人類皮膚，例如柔性彈性水凝膠的應用，使得機器人的皮膚能夠在受到壓力下出現淤青。另一方面是感知能力，例如AiFoam的材料，能夠賦予機器人的“觸覺”，從而讓他們能更智能的互動。