失敗也能變資產！研究人員如何讓穿戴式科技更聰明

在軟性機器人與穿戴式科技的領域中，片狀流體裝置正徹底改變輕量、靈活且多功能系統的設計方式。然而，創新往往伴隨著挑戰，尤其是在理解與控制這些裝置的故障方面。

萊斯大學喬治·R·布朗工程與計算學院的機械工程師們進行了一項新研究，探討如何利用熱封片狀系統中的「程式化故障」來保護裝置、實現複雜的動作序列，甚至簡化控制機制。該研究的通訊作者、機械工程助理教授丹尼爾·J·普雷斯頓表示：「簡單來說，我們透過設計內部元件，使其以可預測的方式故意失效，從而讓這些柔軟、靈活的機器變得更聰明。這樣一來，系統不僅能從壓力激增中恢復，還能利用單一控制輸入完成多項任務。」

這項發表於《Cell Reports Physical Science》的研究，聚焦於薄而靈活的片狀材料——透過圖案化與選擇性黏合形成內部流體網路——如何應對壓力變化，特別是當內部壓力過高時如何失效。研究團隊透過分析紡織片材之間的黏合力，成功預測了最大操作壓力，並探討了黏合幾何形狀與材料選擇等因素對效能的影響。

共同第一作者、普雷斯頓實驗室的二年級博士生索菲亞·烏爾比納表示：「我們的研究提供了一個框架，用於預測並利用片狀流體系統中的故障。我們不再將故障視為限制，而是探索如何利用它來增強功能，使這些裝置更智慧、更高效。」

研究團隊透過嚴格的測試，包括評估黏合強度的T型剝離測試與高壓下的爆破測試，發現了由製造過程中的熱封步驟所決定的三種不同故障模式：初期階段黏合強度隨溫度上升而增加，中期階段材料強度決定內聚失效，後期階段則因過熱導致材料完整性下降。

這些發現讓研究人員設計出一種新型的「流體保險絲」——這是一種保護性元件，依賴於多種不同強度的黏合，並以受控方式失效，以防止壓力峰值造成的損壞。普雷斯頓解釋道：「這就像電路中的保險絲，當壓力超過設定值時，保險絲會『熔斷』，避免整個系統遭受災難性損壞。這種流體保險絲可以輕鬆更換，甚至重新黏合後再次使用。」

除了保護功能，研究團隊還證明這些保險絲可以策略性地放置，以在裝置內序列化多個動作。例如，在一項實驗中，系統被設計為先鬆開燈泡，再將其從插座中取出——所有動作僅需單一壓力輸入即可完成。

普雷斯頓補充道：「透過程式化故障的發生時機與位置，我們可以創造出以『故障』進入新操作模式的裝置，無需額外的控制輸入就能執行多項任務。」

這項研究的應用範圍遠超出實驗室。在穿戴式科技中，流體網路可嵌入衣物，為康復患者提供適應性支援，協助行動不便者，甚至與我們的觸覺進行互動。在機器人領域，利用單一輸入序列化動作的能力，可以簡化多功能自主系統的設計，減少對複雜電子控制機制的需求。

共同第一作者、剛從萊斯大學取得機械工程碩士學位並加入空軍的亞當·布羅什凱維奇表示：「這項研究讓片狀流體裝置變得更聰明、反應更靈敏。透過將故障視為工具而非缺點，我們能打造出不僅更具韌性，也更強大的系統。」