蠕虫、弹簧和软机器人：小生物激发巨大技术进步

乔治亚理工学院的研究人员最近 揭示了一项令人印象深刻的成就：一款5英寸长的软机器人可以在没有腿的情况下将自己弹射到10英尺高的空中——这是一个篮球筐的高度。该设计的灵感来自于卑微的线虫，一种比人类头发还细的微小圆虫，可以跳跃多次自己的身体长度。

通过将其身体挤压成紧密的褶皱，线虫储存了弹性能量，然后突然释放它，将自己像杂技演员一样向上或向后抛射。工程师们模仿了这种运动。他们的“SoftJM”机器人本质上是一个具有刚性碳纤维骨架的柔性硅胶杆。根据其弯曲程度，它可以向前或向后跳跃——即使它没有轮子或腿。

在行动中，线虫启发的机器人像一个蹲着的人一样蜷缩起来，然后突然解开来跳跃。高速摄像机显示了线虫如何将其头部弯曲并在身体中间形成褶皱来向后跳跃，然后直线并在尾部形成褶皱来向前跳跃。

乔治亚理工学院的团队发现，这些紧密的褶皱——通常是软管或电缆的问题——实际上可以让线虫和机器人储存更多的能量。正如一位研究人员所指出的，扭曲的吸管或软管是无用的，但一个扭曲的线虫就像一个装满弹簧的装置。在实验室中，软机器人 重现了这个技巧：它“夹紧”了中间或尾部，紧张起来，然后在一股能量中释放（大约十分之一毫秒）以飞入空中。

软机器人崛起

软机器人是一门年轻但迅速发展的领域，经常从自然界中汲取灵感。与刚性金属机器不同，软机器人由柔性材料制成，可以挤压、拉伸和适应周围环境。该领域的早期里程碑包括 哈佛的Octobot —— 一款完全由硅胶和流体通道制成的自主机器人，没有任何刚性部件，灵感来自章鱼肌肉。从那时起，工程师们建造了许多软机器人：从像虫子一样的爬行机器人和凝胶状抓握器到可穿戴的“外骨骼”和像藤蔓一样的滚动机器人。

例如，耶鲁研究人员创建了一个受乌龟启发的软机器人，其腿可以在游泳或行走时在松软的鳍和坚固的“陆地腿”之间切换。在UCSB，科学家制造了一种像藤蔓一样的机器人，可以使用仅具有光敏“皮肤”的机器人向光源生长 —— 它可以像植物茎一样通过狭窄的空间延伸。这些和其他生物启发的创新展示了如何使用软材料创造新的运动模式。

总体而言，支持者认为软机器人可以进入传统机器人无法进入的地方。美国国家科学基金会指出，自适应的软机器人可以“探索传统机器人无法进入的空间”——甚至可以进入人体内部。一些软机器人具有可编程的“皮肤”，可以改变刚度或颜色以融入或抓住物体。 工程师们还在探索 折纸/切纸技术、形状记忆聚合物和其他技巧，以便这些机器人可以在飞行中重新配置。

工程柔性运动

让软机器人像动物一样移动带来了巨大的挑战。没有刚性关节或电机，设计师必须依靠材料特性和巧妙的几何形状。例如，乔治亚理工学院的跳跃机器人必须在其橡胶身体内包含一个碳纤维脊柱，以使弹簧作用足够强大。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指出，传统的电子元件是刚性的，会使软机器人僵硬。

为了使他们的小型爬行救援机器人“智能化”，他们不得不小心地将柔性电路分布在整个身体上，以便它仍然可以弯曲。即使找到能量来源也更困难：一些软机器人使用外部磁场或压缩空气，因为携带重型电池会使它们变得过重。

乔治亚理工学院的线虫启发的软机器人（照片：Candler Hobbs）

另一个障碍是利用正确的物理学。线虫-机器人团队了解到，褶皱实际上有帮助。在正常的橡胶管中，褶皱会迅速停止流动；但在软线虫中，它会缓慢积累内部压力，允许在释放之前进行更多的弯曲。通过使用模拟和甚至水填充的气球模型，研究人员展示了他们的柔性身体可以在弯曲时储存大量的弹性能量，然后以快速的跳跃方式释放。结果是惊人的：从静止状态下，机器人可以通过简单地弯曲其脊柱来跳跃10英尺高，反复如此。这些突破 —— 在橡胶材料中找到储存和释放能量的方法 —— 是软机器人工程的典型例子。

现实世界中的跳跃者和助手

所有这些软机器人有什么用？从原则上讲，它们可以处理传统机器人无法处理的情况。在灾区，例如，软机器人可以在碎片下或倒塌的建筑物中蠕动以找到幸存者。宾夕法尼亚州立大学展示了一种原型磁性控制的软爬行机器人，可以在狭窄的碎片中导航，甚至可以通过血管大小的通道移动。

在医学领域，微观软机器人可以直接在体内输送药物。在一项麻省理工学院的研究中，设想了一种细如线的软机器人，可以漂浮在动脉中并清除血栓，可能无需开刀手术即可治疗中风。哈佛科学家也在研究软可穿戴外骨骼 —— 一种轻量的充气袖子，可以帮助ALS患者抬起肩膀，立即提高他们的活动范围。

航天机构也在关注软跳跃机器人。轮子可能会卡在沙子或岩石上，但跳跃机器人可以跳过陨石坑和沙丘。NASA甚至正在想象月球和冰月上的新型跳跃机器人。在一个概念中，一个叫做 SPARROW 的足球大小的机器人将使用蒸汽喷射（来自冰的沸腾）来跳跃数英里，横跨欧罗巴或恩克拉多斯。在这些月球的低重力下，一个小跳跃可以走很长一段距离 —— 科学家指出，机器人在地球上的一米跳跃可能会使其在恩克拉多斯上行驶一百米。这个想法是，数十个这样的跳跃机器人可以在外星地形上自由移动，“完全自由地旅行”在轮式机器人会停滞的地方。回到地球上，未来软跳跃机器人可以在搜索和救援任务中提供帮助，通过跳过河流、泥土或不稳定的地面，这些地形会阻止传统机器人。

软机器人也在工业和农业领域找到工作。国家科学基金会指出，它们可以成为工厂地板或农场上的安全助手，因为它们会在遇到人类时让开。研究人员甚至制造了软抓握器，可以轻轻地抓住易碎的水果而不会损坏它。软机器人的灵活性意味着它们可以在刚性设备无法进入或过于灵活的地方发挥作用。

最终，专家们相信软机器人将从根本上改变许多领域。从蠕虫到可穿戴服装再到月球跳跃机器人，这条研究线索展示了如何从小生物中获得巨大的技术进步。