会“喷气遁地术”，最会挖洞的机器人来了！未来或将奔赴外太空
最新更新时间：2021-06-27
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据美国《每日科学（Science Daily）》报道，极端环境下的机器人研究又有新进展。近期《科学·机器人》杂志封面刊登，加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和佐治亚理工学院研究人员最新成果：一种可以挖洞的软体机器人。
研究人员提出了新的在颗粒介质中挖掘的动力学理解，结合关键结果设计出一款带有尖端延伸喷气装置的管状机器人，控制地下的相互作用力来实现快速、可控的三维挖掘。
该论文题目为《软体机器人通过控制地下力量实现快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast, steerable, burrowing soft robot）》，于6月16日发表在《科学·机器人》上。
论文链接：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe2922
▍软体机器人地下挖掘面临阻力和升力
机器人非常适合在极端环境下使用，如太空、海底或灾难现场。现在的机器人已经可以上天下海，并且在陆地上进行各种自由活动。然而，机器人运动的一个前沿领域仍未被探索，那就是地下。
论文的第一作者，来自加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校霍克斯实验室（Hawkes Lab）的研究生尼古拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说：“在地面上让机器人运动，最大挑战是其所涉及到的各种力，空气和水对于穿过它们的物体阻力很小。但是进入地下世界就是另一回事了。如果你试图钻进地下，就必须将土壤、沙子或其他介质推开。”
在地下运动很困难，部分原因是土壤和颗粒介质产生的阻力不仅比空气或水产生的阻力大几个数量级，还存在一种不同类型的升力。现有挖掘方法大都依赖于大型机械装置，这些装置具有坚硬和巨大的部件，常规方法如螺旋钻机、液压旋转钻机、隧道钻机等有效的克服了这些力。但是大型装置的挖掘方式并不适合小型、微创机器人。
适合机器人的机械挖掘方式被逐渐提出，包括螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等。例如，美国宇航局（NASA）2018年向火星发射“洞察”号探测器时，装备了一种挖掘机器人“鼹鼠”，究采用了自锤击方式挖洞，但是受火星土壤性质影响，一直未能成功。2021年1月相关工程师在最后一次尝试后，放弃使用“鼹鼠”进行火星地底挖掘。可以看出，机器人挖掘地下方面还面临很多挑战。
研究人员从地下空间活动的植物和动物身上汲取灵感，开发出了一种快速、可控的软体机器人，这款机器人目前成功实现在沙子中挖洞。此项技术不仅实现机器人在地下进行快速、精确、小范围运动，还奠定了这类新型机器人的机械基础。
▍自然界可替代挖洞思路
自然界在地下生长延伸成网络的植物和真菌为研究人员提供了许多地下运动的例子，而动物则掌握了直接穿过颗粒介质的能力。佐治亚理工学院物理学教授丹尼尔·戈德曼（Daniel Goldman）表示，从机械物理角度理解植物和动物如何掌握地下运动能力，为科学和技术开辟了许多可能性。
“研究不同生物体在颗粒介质中成功游动和挖掘原理得出的发现，可以用来开发新型机械和机器人。”戈德曼说：“反过来，开发具有这种能力的机器人可以促进新的动物研究，以及颗粒基质物理学中新现象的发现。”
霍克斯实验室研究人员设计的藤蔓状软体机器人就是一个良好的开端，该机器人模仿了植物其他部分保持静止情况下，根部尖端生长运动的方式。根据研究人员的说法，在地下环境中，尖端生长保持较低的阻力，但仅局限于生长端；如果整个机器人身体随着“长大”而移动，介质表面的摩擦力会随着机器人更多部分进入沙子而增加，直到机器人不再移动。
▲策略1：尖端延伸
穴居动物启发了另一种称为颗粒流化的策略，该策略是将颗粒转化成类似悬浮流体的状态，使动物能够克服沙子或松散土壤带来的高阻力。例如，章鱼会向地下喷射一股水流，然后用它的触手将自己拉入暂时松动的沙子中。研究人员在机器人上安装了一种基于尖端的流动装置，该装置将空气喷射到尖端之前的区域，使机器人能够进入该区域。
▲策略2：空气流体
纳克莱里奥说：“我们发现的最大挑战，也是花费时间最长的问题是，当我们切换到机器人在水平方向上挖洞时，我们的机器人总是会浮出来。”他解释道，尽管气体或液体可以均匀的在对称物体的上方和下方产生流动，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且对水平运动的机器人产生了显著的上升力。“将沙子推开，比将其压实要容易得多。”
为了了解机器人的运动情况和探究空气辅助进入的大部分未知物理特性，该团队测量了机器人从水平方向推入沙子，其尖端实心棒附近流入的不同角度气流导致的阻力和升力。
“颗粒材料中产生的摩擦力与牛顿流体中产生摩擦力有很大不同，因为由于高摩擦力，机器人进入沙子，会在运动方向上压实和挤压大片空间。”罗切斯特大学的高盛实验室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡尔赛（Andras Karsai）说：“为了缓解这种情况，一种将颗粒物体提升和推开的低密度流体通常会减少机器人必须克服的静摩擦力。”
与气体或液体不同，向下的流体喷射会为移动的物体产生升力，而在沙子中，向下的气流降低了升力，机器人实现在延伸出的尖端下方挖洞。结合从沙漠蜥蜴那获得的灵感，类似沙漠蜥蜴楔形的头部有利于机器人向下运动，使研究人员能够调节阻力并保持机器人水平移动而不会从沙子中浮出。
▲策略3：不对称气流喷射设计▍气动尖端延伸助力机器人快速挖洞
三种机器人挖掘策略效果都很明显：
采用尖端延伸设计可以减少机器人所受阻力。软体机器人和刚性材料机器人在相同类型的沙子表面向下挖洞时，其前端阻力相同，但软体机器人的接触阻力较少。相比与之前的InSight HP3探测器在沙子中0.14米每秒的速度，软体机器人在沙子中的极限是每秒480厘米，已经可以实现高速挖洞。
局部颗粒流化减少阻力。软体机器人从尖端喷射气流后，降低了穿过干燥沙子的阻力，并且机器人受到的阻力与进入深度非线性比例增长，而随着喷射气体流速增加会大致比例减少。
而不对称的向下气流可以控制机器人受到的升力。在大多数喷射气流角度下，增加气流会降低沙子带来的升力。但是比较出乎意料的是不论气流大小，在30度方向喷射气流角度时，机器人受到的升力最大。
新款软体机器人在长、浅、定向挖洞方面有更好的性能。像这样的小型探索性软体机器人具有多种应用，可以完成需要在干燥的颗粒介质中进行表层挖洞的事情，例如土壤采样、公用事业的地下安装和防侵蚀控制。机器人控制尖端延伸方向并调节它在介质中锚定的牢固程度，这种控制对于在低重力环境中的探索非常有用。事实上，该团队正在与NASA合作开展一个项目，在月球甚至更远的天体（如木星、卫星、土卫二）上开发挖洞技术。
霍克斯（Hawkes）说：“我们相信挖洞有可能为外星应用机器人开辟新的途径。”
▍新材料和新控制技术让软体机器人有更多可能
软体机器人目前的研究涉及新材料和新控制技术，例如最新这款挖洞机器人就是参考自然界的植物、章鱼、沙漠蜥蜴等钻地挖洞的机制，设计新的控制技术，韩国首尔国立大学的J.-Y. Sun团队研究了水凝胶这种新材料应用于制作软体机器人组件。
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。
来源：机器人大讲堂
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