机器人11 months ago
蠕虫、弹簧与软体机器人：微小生物激发巨大飞跃
佐治亚理工学院的研究人员最近公布了一项令人瞩目的成果：一个5英寸长的软体机器人，无需任何腿部，就能将自己弹射到10英尺高的空中——相当于一个篮球框的高度。该设计的灵感来源于不起眼的线虫，这种微小的圆虫比人类头发还细，却能跳出数倍于其身长的距离。 通过将身体弯曲成紧密的扭结，蠕虫储存了弹性势能，然后突然释放，像杂技体操运动员一样将自己抛向空中或向后弹射。工程师们模仿了这种运动。他们的“SoftJM”机器人本质上是一根柔性的硅胶棒，内部有一根坚硬的碳纤维脊柱。根据其弯曲方式，它可以向前或向后跳跃——尽管它没有轮子或腿。 在行动中，受线虫启发的机器人像人下蹲一样蜷缩起来，然后爆发性地伸直以完成跳跃。高速摄像机显示，蠕虫如何抬起头部并在身体中部弯曲以实现向后跳跃，然后伸直并在尾部弯曲以实现向前跳跃。 佐治亚理工学院的研究团队发现，这些紧密的弯曲——通常在软管或电缆中是个问题——实际上让蠕虫和机器人能够储存更多的能量。正如一位研究人员指出的，弯曲的吸管或软管是无用的，但弯曲的蠕虫却像一个上紧的发条。在实验室中，软体机器人再现了这一技巧：它“捏紧”身体中部或尾部，绷紧，然后在一瞬间（约十分之一毫秒）释放能量，从而腾空而起。 崛起的软体机器人 软体机器人是一个年轻但快速发展的领域，常常从自然界汲取灵感。与坚硬的金属机器不同，软体机器人由柔性材料制成，可以挤压、拉伸并适应周围环境。该领域的早期里程碑包括哈佛大学的Octobot——一个完全由硅胶和流体通道制成的自主机器人，没有刚性部件，灵感来源于章鱼的肌肉。自那时起，工程师们已经构建了一系列软体机器：从蠕虫般的爬行器和凝胶状抓取器，到可穿戴的“外骨骼套装”和藤蔓般的滚动机器人。 例如，耶鲁大学的研究人员创造了一个受海龟启发的软体机器人，其腿部可以根据是在游泳还是行走，在松软的鳍状肢和坚硬的“陆地腿”之间切换。在加州大学圣塔芭芭拉分校，科学家们制造了一种藤蔓状机器人，仅利用光敏“皮肤”就能向光生长——它确实能像植物茎干一样穿过狭窄空间延伸自身。这些以及其他仿生创新展示了软材料如何创造新的运动模式。 总体而言，支持者认为软体机器人可以进入传统机器人无法到达的地方。美国国家科学基金会指出，适应性强的软体机器“探索了传统机器人以前无法到达的空间”——甚至包括人体内部。一些软体机器人具有可编程的“皮肤”，可以改变硬度或颜色以融入环境或抓取物体。工程师们还在探索折纸/剪纸技术、形状记忆聚合物和其他技巧，以便这些机器人能够动态重新配置。 设计柔性运动 让软体机器人像动物一样运动带来了巨大挑战。没有坚硬的关节或电机，设计者必须依赖材料特性和巧妙的几何结构。例如，佐治亚理工学院的跳跃机器人不得不在其橡胶状身体内部加入一根碳纤维脊柱，以使弹簧动作足够有力。集成传感器和控制系统也很棘手。正如宾夕法尼亚州立大学的工程师们指出的，传统电子设备是刚性的，会使软体机器人动弹不得。 为了让其微小的爬行救援机器人变得“智能”，他们必须将柔性电路仔细地分布在身体上，以便它仍然能够弯曲。甚至寻找能源也更为困难：一些软体机器人使用外部磁场或加压空气，因为携带沉重的电池会增加其负担。 另一个障碍是利用正确的物理原理。线虫机器人团队了解到，扭结实际上是有帮助的。在普通的橡胶管中，扭结会迅速阻止流动；但在软体蠕虫中，它会缓慢积聚内部压力，允许在释放前进行更多的弯曲。通过模拟实验甚至充水气球模型的实验，研究人员表明，他们的柔性身体在弯曲时可以储存大量弹性势能，然后在一个快速的跳跃中释放。结果是显著的：机器人从静止状态出发，只需弯曲其脊柱，就能重复性地跳到10英尺高。这些突破——找到在橡胶材料中储存和释放能量的方法——是软体机器人工程的典型特征。 现实世界的跳跃者与助手 所有这些软体机器人有什么用？原则上，它们可以处理对于刚性机器来说过于危险或棘手的情况。例如，在灾区，软体机器人可以蠕动到瓦砾下或倒塌的建筑物内寻找幸存者。宾夕法尼亚州立大学展示了一个原型磁控软体爬行器，它可以在狭窄的废墟中穿行，甚至能通过血管大小的通道。 在医学领域，微型软体机器人可以在体内直接递送药物。在一项麻省理工学院的研究中，设想了一种细如线的软体机器人，可以漂浮通过动脉并清除血栓，有可能无需开颅手术即可治疗中风。哈佛大学的科学家们也在研究软体可穿戴外骨骼——一种轻质的充气袖套，帮助肌萎缩侧索硬化症患者抬起肩膀，立即改善了他们的活动范围。 航天机构也在关注软体跳跃者。轮子可能会陷入沙地或岩石中，但跳跃机器人可以越过陨石坑和沙丘。美国国家航空航天局甚至为月球和冰卫星设想了新型跳跃机器人。在一个概念中，一个名为SPARROW的足球大小的机器人将使用蒸汽喷射（来自煮沸的冰）在木卫二或土卫二上跳跃数英里。在这些卫星的低重力环境下，一次小小的跳跃就能走很远——科学家们指出，机器人在地球上的一米跳跃，在土卫二上可以将其带到一百米之外。其设想是，数十个这样的跳跃者可以成群结队地穿越外星地形，“拥有完全的行动自由”，而轮式漫游车则会在那里停滞不前。在地球上，未来的软体跳跃者可以通过跳过河流、泥泞或不稳定的地面来协助搜救任务，而这些地方会阻止传统机器人前进。 软体机器人也在工业和农业领域找到用武之地。美国国家科学基金会指出，它们可以成为工厂车间或农场的安全助手，因为如果人类挡路，它们会顺从地避让。研究人员甚至制造了软体抓取器，可以轻柔地采摘易碎的水果而不造成损伤。软体机器的灵活性意味着它们可以在对于刚性设备来说太小或太灵活的地方发挥作用。 最终，专家们相信软体机器人将从根本上改变许多领域。从蠕虫到可穿戴套装，再到月球跳跃者，这项研究脉络展示了研究微小生物如何能在技术上带来巨大的飞跃。
