石墨烯加液晶，打造‘热手指’”

在未来的医院中，软体机器人可能会作为手术机器人被使用。但在此之前，研究人员需要弄清楚如何精确控制和移动这些可变形的机器人。此外，目前许多软体机器人含有金属，这意味着它们在富含水分的环境（如人体）中的使用相当受限。由博士生Laura van Hazendonk、Zafeiris Khalil（作为其硕士研究的一部分）、Michael Debije和Heiner Friedrich领导的代尔夫特理工大学（TU/e）研究人员设计了一种由石墨烯和液晶（均为有机材料）制成的软体机械手或抓手。这为这种设备在未来手术中可能且安全地使用开辟了可能性。

机器人对我们的世界有着巨大的影响。例如，在工业领域，机器人制造汽车和电视机。在医院中，机器人（如达芬奇机器人手术系统）辅助外科医生进行手术，并实现微创操作。甚至有些人让机器人在家中做吸尘工作。

“社会已经变得依赖机器人，我们正在想出新方法来使用它们，”化学工程与化学系的博士生Laura van Hazendonk说。“但在想出新方法时，我们需要考虑使用不同类型的材料来制造它们。”

软性思维

Van Hazendonk所指的不同材料是流体、凝胶和弹性材料——这些材料都很容易变形。“通常，机器人是由金属制成的，金属是坚硬且刚性的。但在某些应用中，由坚硬且刚性材料制成的机器人会限制机器人的性能，”Van Hazendonk说。“解决办法是进行软性思维。”

在软体机器人领域，目标是用像流体或凝胶这样的材料来制造机器人，这些材料可以在某些情况下变形，然后像由传统坚硬且刚性材料制成的机器人一样工作。

软体机器人有望在手术过程中产生重大影响的一个领域是外科手术。Van Hazendonk说：“对于外科医生来说，许多手术可能既复杂又精细，因此需要外科医生具有精确的灵巧性。有时这并不可行，因此他们求助于机器人。但刚性机器人也可能无法轻松进入某些区域。这就是软体机器人可以发挥作用的地方，我们的目标是提供一种潜在的新型辅助工具，用于在手术中夹紧和缝合所使用的设备，例如。”

转向诺贝尔奖材料

对于他们的研究，Van Hazendonk和她的同事选择使用一种不同类型的可变形材料——液晶——以及石墨烯来制造一种具有四个可控且可变形的“手指”的软体抓手设备或“手”。

有趣的是，在过去的30年左右的时间里，液晶和石墨烯都与诺贝尔物理学奖直接或间接相关。早在1991年，Pierre-Gilles de Gennes就因其对复杂物质（如液晶）中的有序性研究而获奖。2010年，Andre Geim和Konstantin Novoselov因其在石墨烯方面的工作而获奖——石墨烯是一种超级强大的材料，同时也具有透明性，并且是电和热的有效导体。

“液晶会根据其被激发或扰动的方式而表现为液体或固体。当它流动时，它表现得像液体。但在特殊情况下，液体中的分子可以排列成规则的图案或结构，就像在强大的显微镜下可以看到的固体材料中的晶体一样，”Van Hazendonk解释说。“液晶材料具有这种能力的特性，在制作软体机器人时非常完美。”

执行器挑战

在选择了材料之后，研究人员开始设计和制造执行器。“执行器控制和调节机器人系统中的运动。通常，执行器在接收到电、气或流体时会响应或移动，”Van Hazendonk说。“在我们的工作中，我们采用了其他方式来驱动液晶网络（LCN）执行器。”

研究人员设计了一种抓手设备，该设备具有四个由LCN执行器控制的“手指”，这些执行器通过石墨烯基加热元件或抓手或“手”的手指中的轨道受热而变形。[图像中的黑线]

手指弯曲

“当电流通过黑色石墨烯轨道时，轨道会发热，然后轨道产生的热量会改变液晶手指的分子结构，部分分子会从有序状态变为无序状态。这会导致手指弯曲，”Van Hazendonk说。“一旦切断电流，热量就会散失，抓手就会恢复到初始状态。”

正如化学工程与化学系助理教授海纳·弗里德里希（Heiner Friedrich）所指出的，石墨烯加热元件是研究人员面临的最大挑战之一。

“我们需要确保它们能够加热到适当的温度以改变液晶层，同时我们还需要确保这可以在安全电压下完成。最初，石墨烯元件在安全电压下无法达到适当的温度，或者会过热并烧毁设备，”弗里德里希说。“扎费里斯·哈利勒（Zafeiris Khalil）在他的硕士论文中解决了这个问题以及其他许多重要问题”。

研究人员并没有让这个问题阻碍他们的前进步伐，最终，他们设计了一种在低于15伏电压下也能无故障运行的执行器。就性能而言，这些抓手可以提起质量在70至100毫克之间的小物体。“这听起来可能不多，但在手术等医疗应用中，这对于微小工具、植入物或生物组织的精确和微小移动非常有用，”范·哈曾东克（Van Hazendonk）说。