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模拟毛毛虫!机器人开始走向“柔软”

一一在未来,可能电影里的“大白”,离我们真的不远了。

  • 高依敏
  • 2021-12-22

前言

或许明年就是软体机器人真正开始爆发的一年。

30多年前,剪刀手爱德华说:“如果我没有刀,我就不能保护你。如果我有刀,我就不能拥抱你。”曾经感动了无数人。

“我长成这样,是为了让人看起来更想拥抱。”几十年后的大白,又骗走了我们一票眼泪。

纵观机器人发展史,影视作品里机器人的温情满满,总离不开现实世界机器人发展格局的变化,从自动机械装置到软体机器人,科技的背后多了份温柔,机器人开始走向“柔软”。

01  什么是软体机器人

软体机器人是一种新型柔韧机器人,最新研究的软体机器人是采用纸质和硅橡胶制成,它能够弯曲、扭转和抓起自身重量100多倍的物品,科学家们往往以各种生物形态为灵感,进行发明创造。

02 科技源于生活

早期的软体机器人,人们大多选择硅胶材质浇筑而成,在上世纪80年代末期,日本冈山大学软体机器人实验室成功研制一种硅胶机械手,该机械手利用气体压缩的原理进行机械驱动,可以进行简单抓取操作,开创了柔性机器手的先河。

到了2011年,哈佛大学化学家George M. Whitesides(乔治·怀特塞兹)带领的研究小组从乌贼、海星以及其它无脊椎动物获得启发,研制了一种有四只“脚”的小型软体机器人,这种机器人可以像蠕虫一样在非常狭窄的空间里进行活动。这项发明结合了前几代软体机器人的特点,可以准确抓取各类产品。

 

这项发明,成功登上了当年的《科学》杂志,也基本奠定了软体机器人的发展路线。

 

03 上海交大的“毛毛虫”机器人

打破软体机器人瓶颈

近日,上海交通大学机械与动力工程学院机器人研究所谷国迎教授团队以尺蠖为灵感,研发出一种新型软体机器人。

 

尺蠖作为一种幼虫,每一个前进步伐都很小,但它们能够爬过的地形和方向是非常多样的。例如尺蠖能够在水平和垂直表面上缓慢前行,并利用其出色的灵巧性在不平坦的地形上前进。因此,许多研究人员都试图模仿尺蠖构建行动灵活的软体机器人。

而对于软体机器人来说,在水平面和垂直面之间的过渡是非常困难的,因为它们必须既坚固又灵活——足以将一只脚从地面抬起并在垂直的墙壁或表面上立足。

为了实现如尺蠖般的灵活性,上海交大的研究团队用 3 个纤维增强的气动执行器作为气动人工肌肉来模拟尺蠖的身体部分。这种气动机制有助于精确控制机器人的「尾巴」、「头部」和「身体」。同时控制系统负责监控执行器的位置,协调机器人的整体运动,使其在爬行时实现尺蠖蠕动一般的「Ω」形状。

该尺蠖机器人的足部采用两个负压吸盘来产生可控摩擦力。在气动执行器和吸盘的同步推动下,该机器人和真正的尺蠖一样,通过伸展身体并控制足部的压力吸盘「迈步前进」。它在水平面上可以达到 21 mm/s 的最高移动速度,在垂直墙壁上达到 15 mm/s 的最高速度。在负载方面,它能够在水平面上承载 500 克(约自身重量的 15 倍)的重量,在垂直墙壁上可以承载 20 克的重量。

此外,该研究还开发了一个简化的运动学模型来表征该机器人的运动学特征,并提出了一种控制策略来同步控制其多模态运动变形和吸盘摩擦力。

该尺蠖机器人在垂直表面上呈「Ω」状爬行。 

这是软体移动机器人首次在水平和垂直平面之间实现过渡运动,将有助于扩大软体机器人的工作空间,可用于检查、清洁、维护等方向,并具有在液体中应用的潜力。

未来研究团队将在该软体机器人上添加更多传感器来进一步实现控制自动化,减小驱动系统的尺寸以减小机器人的束缚,并探索该机器人在更复杂环境中移动的可能性,例如天花板、非结构化区域等。

新思路让软体机器人有更多可能

虽然目前来说,真正的软体机器人依然停留在实验室阶段,仍有许多问题需要解决。

但软体机器人研究所涉及的新控制技术还是具有极大的实际应用意义,例如上海交大的这款尺蠖机器人就是参考自然界中的毛毛虫运动形态,实现了水平和垂直平面间的过渡运动。

传统机器人大多是由限制弹性变形能力的刚性材料制成。软体机器人这种新型仿生连续体机器人,可以在一定限度内随意变化形态,弥补传统机器人在适应多变环境上的不足,有望在生物工程、救灾救援、工业生产、医疗服务、勘探勘测等领域发挥重要作用。

在未来,可能电影里的“大白”,离我们真的不远了。