科学家研制出一种外形酷似蜻蜓的软体机器人，它不含电子元件，通过控制进入翅膀的气压来运作。
这种机器人具备内置的环境感知能力，能够对水的 pH 值和温度变化作出反应。
它有望帮助监测并解决淡水酸化等环境问题。
这种不含电子元件的全软体蜻蜓形机器人能够掠过水面，并对 pH 值、温度或是否存在油污等环境状况作出反应。
这项原理验证演示或可成为更先进的自主远程环境哨兵的先导，用于监测各种可能预示问题的迹象。
这款软体机器人发表于期刊《Advanced Intelligent Systems》。
软体机器人正成为行业日益兴起的趋势，原因在于其适应性。软质部件能够处理生物组织等易损物体，而金属或陶瓷部件可能会损坏这些物体。柔软的机身还能帮助机器人漂浮，或挤进刚性框架无法进入的狭小空间。
杜克大学生物医学工程、机械工程与材料科学以及骨科手术学教授 Shyni Varghese 正思索着这一不断发展的领域，此时灵感忽然涌现。
“我收到 Shyni 从机场发来的一封邮件。她说，她有个想法：用她的团队此前发明的一种自修复水凝胶，制造一种能够自主作出反应并移动的软体机器人，”Varghese 实验室的博士生、论文第一作者 Vardhman Kumar 说。“但邮件里就只说了这些，之后好几天我都没再听到她的消息。所以这个想法搁置了一阵子，直到我有了足够的空闲时间去尝试，Shyni 才说可以放手去做。”
2012 年，Varghese 和她的实验室研制出一种自修复水凝胶，能够在几秒钟内对 pH 值变化作出反应。无论是水凝胶上的裂缝，还是两块相邻、涂有这种水凝胶的材料，酸度变化都会促使水凝胶形成新的键；当 pH 值恢复到原有水平时，这些键又会完全逆转。
Varghese 匆匆记下的想法，是设法将这种水凝胶用于一种能在水面移动、并标示 pH 值变化地点的软体机器人。她还想到，结合其他几项用于发出周围环境变化信号的创新，她的实验室或许能够设计出这样一种自主环境传感器。
在同属 Varghese 实验室的博士后研究员 Ung Hyun Ko 的帮助下，Kumar 开始设计一种以苍蝇为原型的软体机器人。经过多次迭代，两人最终确定采用蜻蜓的外形，并设计了一套内部微通道网络，使机器人能够通过气压控制。
他们将硅胶倒入铝制模具并烘烤，制成机身，长度约为 2.25 英寸，翼展为 1.4 英寸。团队运用软光刻技术制作内部通道，并用柔性硅胶管将其连接起来。
DraBot 就此诞生。
“要让 DraBot 在远距离仅靠自驱动器响应气压控制，而且完全不使用电子元件，这很困难，”Ko 说。“这无疑是最具挑战性的部分。”
DraBot 通过控制进入翅膀的气压来运作。微通道将空气输送到前翅，空气随后从一系列孔洞中逸出，这些孔洞正对着后翅。如果两侧后翅都向下，气流就会受阻，DraBot 便无法前进；如果两侧翅膀都向上，DraBot 就会向前移动。
为了增加一种控制方式，团队还在靠近 DraBot 机身的两侧后翅下方各设计了一个气囊驱动器。气囊充气后会使翅膀向上卷曲。研究人员通过改变翅膀的上下状态来指引 DraBot 的行进方向。
“我们能够控制 DraBot 时很高兴，但它是以生物为基础设计的，”Kumar 说。“生物不只是自行移动，它们还会对环境作出反应。”
这正是自修复水凝胶发挥作用之处。研究人员将水凝胶涂在一侧翅膀上，使 DraBot 能够响应周围水体 pH 值的变化。如果水变酸，一侧的前翅就会与后翅融合。机器人因此失去平衡，不再按指令沿直线行进，而是绕圈旋转。pH 值恢复正常后，水凝胶会“解除修复”，融合的翅膀随之分开，DraBot 也再次能够完全响应指令。
为了增强机器人的环境感知能力，研究人员还利用了翅膀下方的海绵，并在翅膀中掺入对温度作出响应的材料。当 DraBot 掠过表面漂有油污的水面时，海绵会吸收油污，并变成与油污相应的颜色。水温过高时，DraBot 的翅膀则会从红色变为黄色。
研究人员认为，未来这类测量方式可能在环境机器人传感器中发挥重要作用。对 pH 值作出响应有助于检测淡水酸化；这是影响若干地质敏感地区的严重环境问题。吸收油污的能力使这类远距离掠水机器人非常适合用于早期发现漏油事故。温度变化引起的颜色改变则有助于发现赤潮迹象以及珊瑚礁白化现象；这会导致水生生物数量减少。
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团队还认为，他们有许多方法可以改进这项概念验证成果。无线摄像头或固态传感器能够增强 DraBot 的功能；研发某种机载推进剂，则有助于类似机器人摆脱管道的束缚。
“如果不再用气压控制翅膀，我可以设想采用某种能够产生能量的合成生物学技术，”Varghese 说。“这完全是我研究领域之外的方向，因此我们得和一些潜在合作者谈谈，看看有哪些可能性。不过，这正是开展这种跨学科项目的乐趣之一。”
研究人员的大部分工作是在杜克大学的共享材料与仪器设施（SMIF）完成的。该核心设施由美国国家科学基金会支持，属于国家纳米技术协调基础设施（NNCI）的一部分。
