Robotar brukade vara begränsade till tunga lyft eller detaljarbete i fabriker. Nu är Boston Dynamics kvicka fyrbenta robot, Fläck, är tillgänglig för företag att hyra för att utföra olika verkliga jobb, ett tecken på hur vanliga interaktioner mellan människor och maskiner har blivit de senaste åren.

Och medan Spot är mångsidig och robust, det är vad samhället ser på som en traditionell robot, en blandning av metall och hårdplast. Många forskare är övertygade om att mjuka robotar som kan ha en säker fysisk interaktion med människor, t.ex. tillhandahålla hjälp i hemmet genom att gripa och flytta föremål – kommer att gå med hårda robotar för att befolka framtiden.

Mjuk robotik och bärbara datorer, både tekniker som är säkra för mänsklig interaktion, kommer att kräva nya typer av material som är mjuka och töjbara och fyller en mängd olika funktioner. Mina kollegor och jag på Soft Machines Lab vid Carnegie Mellon University utvecklar dessa multifunktionella material. Tillsammans med medarbetare, vi har nyligen utvecklat ett sådant material som unikt kombinerar egenskaperna hos metaller, mjuka gummin och formminnesmaterial.

Dessa mjuka multifunktionella material, som vi kallar dem, leda elektricitet, upptäcka skador och läka sig själva. De kan också känna beröring och ändra sin form och stelhet som svar på elektrisk stimulering, som en konstgjord muskel. På många sätt, det är vad de banbrytande forskarna Kaushik Bhattacharya och Richard James beskrev:"materialet är maskinen."

Att göra material intelligent

Denna idé att materialet är maskinen kan fångas i konceptet förkroppsligad intelligens. Denna term används vanligtvis för att beskriva ett system av material som är sammankopplade, som senor i knät. När du springer, senor kan sträcka sig och slappna av för att anpassa sig varje gång foten träffar marken, utan behov av någon neural kontroll.

Det är också möjligt att tänka på förkroppsligad intelligens i ett enda material – ett som kan känna, bearbeta och reagera på sin miljö utan inbyggda elektroniska enheter som sensorer och bearbetningsenheter.

Ett enkelt exempel är gummi. På molekylär nivå, gummi innehåller strängar av molekyler som är ihoprullade och sammanlänkade. Att sträcka eller komprimera gummi flyttar och rullar upp strängarna, men deras länkar tvingar gummit att studsa tillbaka till sitt ursprungliga läge utan att permanent deformeras. Förmågan för gummi att "känna" sin ursprungliga form finns i materialstrukturen.

Eftersom framtidens konstruerade material som är lämpliga för interaktion mellan människa och maskin kommer att kräva multifunktionalitet, forskare har försökt bygga nya nivåer av förkroppsligad intelligens – utöver att bara sträcka sig – i material som gummi. Nyligen, mina medarbetare skapade självläkande kretsar inbäddade i gummi.

De började med att sprida flytande metalldroppar i mikroskala inslagna i en elektriskt isolerande "hud" genom silikongummi. I sitt ursprungliga skick, hudens tunna metalloxidskikt hindrar metalldropparna från att leda elektricitet.

Dock, om det metallinbäddade gummit utsätts för tillräckligt med kraft, dropparna kommer att spricka och sammansmälta för att bilda elektriskt ledande banor. Alla elektriska linjer tryckta i det gummit blir självläkande. I en separat studie, de visade att mekanismen för självläkning också kunde användas för att upptäcka skador. Nya elledningar bildas i de områden som är skadade. Om en elektrisk signal kommer igenom, som indikerar skadan.

Kombinationen av flytande metall och gummi gav materialet en ny väg att känna av och bearbeta sin miljö – det vill säga, en ny form av förkroppsligad intelligens. Omarrangemanget av den flytande metallen gör att materialet kan "veta" när skada har uppstått på grund av en elektrisk reaktion.

Formminne är ett annat exempel på förkroppsligad intelligens i material. Det betyder att material reversibelt kan ändras till en föreskriven form. Formminnesmaterial är bra kandidater för linjär rörelse i mjuk robotik, kan röra sig fram och tillbaka som din bicepsmuskel. Men de erbjuder också unika och komplexa formförändrande möjligheter.

Till exempel, två grupper av materialforskare visade nyligen hur en klass av material reversibelt kan förvandlas från ett platt gummiliknande ark till en 3-D topografisk karta av ett ansikte. Det är en bedrift som skulle vara svår med traditionella motorer och växlar, men det är enkelt för denna klass av material på grund av materialets förkroppsligade intelligens. Forskarna använde en klass av material som kallas flytande kristallelastomerer, som ibland beskrivs som konstgjorda muskler eftersom de kan sträcka sig och dra ihop sig med applicering av en stimulans som värme, ljus, eller el.

Få alltid att falla på plats

Genom att hämta inspiration från den flytande metallkompositen och det formformande materialet, mina kollegor och jag skapade nyligen en mjuk komposit med oöverträffad multifunktionalitet.

Den är mjuk och töjbar, och den kan leda värme och elektricitet. Den kan aktivt ändra sin form, till skillnad från vanligt gummi. Eftersom vår komposit lätt leder elektricitet, formförändringen kan aktiveras elektriskt. Eftersom den är mjuk och deformerbar, den är också motståndskraftig mot betydande skador. Eftersom den kan leda elektricitet, kompositen kan samverka med traditionell elektronik och dynamiskt svara på beröring.

Vidare, vår komposit kan läka sig själv och upptäcka skador på ett helt nytt sätt. Skador skapar nya elektriskt ledande linjer som aktiverar form-morphing i materialet. Kompositen reagerar genom att spontant dra ihop sig när den punkteras.

I filmen "Terminator 2:Judgment Day, " den formskiftande Android T-1000 kan göra flytande; kan ändra form, Färg, och textur; är immun mot mekanisk skada; och visar övermänsklig styrka. En sådan komplex robot kräver komplexa multifunktionella material. Nu, material som kan känna, bearbeta och reagera på sin miljö som att dessa formformande kompositer börjar bli verklighet.

Men till skillnad från T-1000 är dessa nya material inte en kraft för det onda – de banar väg för mjuka hjälpmedel som proteser, sällskapsrobotar, fjärrutforskningsteknik, antenner som kan ändra form och många fler applikationer som ingenjörer inte ens har drömt om än.

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.