过去，机器人的用途仅限于在工厂搬运重物或进行精细作业。如今，波士顿动力公司灵巧的四足机器人 Spot已可供企业租用，执行各种现实世界中的工作。这表明，近年来人与机器之间的互动已变得多么普遍。
尽管 Spot 灵活且坚固，但它仍是社会认知中的传统机器人，由金属和硬塑料构成。许多研究人员确信 软体机器人能够实现安全的身体接触，例如在家中通过抓取和移动物体提供帮助；它们将与硬质机器人一道，构成未来的机器人群体。
软体机器人和可穿戴计算机都是适合与人互动的技术，它们需要新型材料，这些材料既柔软又可拉伸，还能实现多种功能。我和卡内基梅隆大学软体机器实验室的同事研发这类多功能材料。与 合作者一道，我们最近开发出一种材料，独特地结合了金属、软橡胶和形状记忆材料的特性。
我们称之为软体多功能材料。它们能导电、检测损伤并自我修复，还能感知触碰，并像人工肌肉一样，在电刺激下改变形状和刚度。从许多方面来说，这正是先驱研究人员Kaushik Bhattacharya和Richard James所描述的：“材料就是机器。”
让材料变得智能
“材料就是机器”这一理念，可以用具身智能这一概念来概括。这个术语通常用来描述相互连接的材料系统，例如膝盖中的肌腱。跑步时，肌腱会伸展和放松，以适应脚每次触地，而无须神经控制。
具身智能也可以体现在单一材料中：这种材料无需嵌入传感器、处理单元等电子设备，就能感知环境、处理信息并作出响应。
橡胶就是一个简单的例子。在分子层面，橡胶由卷曲并相互连接的分子链组成。拉伸或压缩橡胶会使这些链移动并展开，但链之间的连接会迫使橡胶弹回原位，而不会产生永久形变。橡胶“知道”自身原有形状的能力，蕴含在材料结构之中。
由于适用于人机互动的未来工程材料需要具备多种功能，研究人员一直尝试在橡胶等材料中融入更高层次的具身智能，而不只是让它们能够伸展。最近，我的同事们研发出自我修复电路并将其嵌入橡胶中。
他们首先将微尺度液态金属液滴分散到硅橡胶中，这些液滴外包裹着一层电绝缘的“外皮”。在原始状态下，这层外皮的薄氧化金属层会阻止金属液滴导电。
然而，如果含有金属的橡胶受到足够大的力，液滴就会破裂并汇合，形成导电通路。印制在这种橡胶中的任何电路都能自我修复。在另一项研究中，他们表明，自我修复机制还可用于检测损伤。受损区域会形成新的电路。如果有电信号通过，就表明发生了损伤。
液态金属与橡胶的结合，为材料感知和处理环境提供了新途径，也带来了一种新形式的具身智能。液态金属重新排列后会产生电响应，使材料能够“知道”何时发生了损伤。
形状记忆是材料具身智能的另一个例子，指材料能够可逆地变为预定形态。形状记忆材料很适合用于软体机器人的线性运动，能够像肱二头肌一样来回运动。但它们还具备独特而复杂的变形能力。
例如，最近有两个材料科学家团队展示了一类材料 如何可逆地变形，从一片平坦的橡胶状薄片变成一张面部的三维地形图。传统电机和齿轮很难实现这一效果，但对这类材料而言，由于具身智能的作用，实现起来却很简单。研究人员使用了一类称为液晶弹性体的材料。这类材料有时被称为人工肌肉，因为在热、光或电等刺激下，它们能够伸展和收缩。
融会贯通
受到液态金属复合材料和形变材料的启发，我和同事最近创造出一种多功能性前所未有的软复合材料。
它柔软且可拉伸，还能传导热和电。与普通橡胶不同，它能主动改变形状。由于我们的复合材料导电性良好，可以通过电力激活形变。它柔软且可变形，因此也能承受重大损伤。它还能导电，因此可以与传统电子设备连接，并动态响应触碰。
此外，我们的复合材料还能以全新的方式自我修复并检测损伤。损伤会产生新的导电线路，从而激活材料的形变。材料被刺穿时，复合材料会自发收缩以作出响应。
在电影《终结者2：审判日》中，变形机器人 T-1000 能够液化，改变形状、颜色和质地，免受机械损伤，并展现超人的力量。这样复杂的机器人需要复杂的多功能材料。如今，像这些形变复合材料一样能够感知环境、处理信息并作出响应的材料，正逐渐成为现实。
但与 T-1000 不同，这些新材料并非邪恶势力；它们正为假肢、陪伴机器人、远程探测技术、可变形天线等软体辅助设备铺平道路，也将带来更多工程师尚未设想出的应用。
