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蛇形会生长的软体机器人 将应用地震救援、医疗领域

字号+作者:root 来源:科技在线 2017-08-11 16:00 收藏成功收藏本文

  原标题:将应用在地震救援、医疗领域

  你见过吗?蛇形会生长的软体机器人

  【新知关键词:软体机器人】

  在过去几十年中,数不清的科幻片将机器人刻画得一模一样,它们钢筋铁骨、强大有力、理性高效,能执行人类无法完成的任务。这为后来《超能陆战队》中“大白”的出现做了极具反差效果的铺垫。作为软体机器人的代表,“大白”具有“软萌Q弹”的特点,有英雄气概,又有惹人喜爱。而科学家们亦有同感,软体机器人也许能解决更多问题,比如,斯坦福大学的科学家们就已经在该领域做出了尝试。

  它的动作就像一个快速生长的爬藤

  据外媒“每日科学”官网日前报道,斯坦福大学的机械工程师们开发出一种全新的仿藤机器人,能够在不移动整个身体的情况下,长距离生长,并能蛇形蜿蜒。研究者已证明,它在灾难搜救和医疗中将是大有作为的。该项目由美国国家科学基金会资助,相应研究论文已发表于《科学机器人》杂志上。

  设想一下,在杂乱无章的倒塌建筑中,救援人员在急切地搜寻遇难人群。但是,他们既没有徒手去挖碎片,也没有放出搜救犬去嗅生命迹象在哪儿,而是首先拿出一个小的密封气缸,将设备放在灾难现场的缝隙入口处,然后旋转开关,机器人的“生长”开始了!

  只见,它从气缸的一端冒出头,接着像卷曲的蛇一样,软软地、缓缓地延伸,进入石头、草丛和泥土混杂的地下空间。它的动作就像快速生长的爬藤一样,卷须的顶端安装有微型摄像头,能够让救援人员看到瓦砾下面,无法抵达的地方是什么样的状况。

  对新型软体机器人来说,这仅仅是一种可能的应用。研发人员在论文中表示,之所以研发它,是受到自然的启示。生物具有生长的特性,无论是藤蔓、真菌还是人脑内的神经细胞,都能通过软性延展来覆盖距离,那么仿生装置应该也可以。因此,他们提出了“会生长的软体机器人”这一概念,并设计了一些具有挑战性的实验进行了验证。

  机械工程学教授埃里森·冈村是该论文的资深作者,他解释说,“我们试图从根本上弄清楚软体机械移动或生长的机制原理,它的方式与世界上所有的动物或人类都完全不同”。为了知道机器人能做什么,研究小组甚至制作出复杂的迷宫模型,让机器人穿越各种障碍,朝着预设目标前进,并成长为一个独立结构。

  它不需要机械整体运动,而只需要尖端运动

  这个新机器人背后的设计思想显而易见,并不复杂。首先是有一管的软材料折叠在气缸内部,就像一团有序蜷曲着的袜子一样。机器人在顶端摄像头的控制下,总朝着一个方向生长,比如软材料位于充气嘴的前端,软体机器人的管子始终朝着右侧延展生长。

  实验室中的原始版机器人采用薄而廉价的塑料制成,当研究人员通过固定端压入空气时,机器人呈外翻生长的姿态,而在后来的新版本中,任何流体也许都能代替压缩空气,从而让软体机器人具有不同性能。这种设计非常有用的一个特点就是,它不需要机械整体运动,而只需要尖端运动,节省了时间和能量。

  来自加利福尼亚大学的客座助理教授埃利奥特·霍克斯也是论文的主要作者之一,他指出,机器人的身体从末端开始延伸,在“生长”过程中,身体会附着在草丛中,或被岩石卡住,但这并不能阻止其行动,因为末端还在不断长出新“肢体”。

  测试机器人性能的方法也很简单,即让机器人从一个地方穿越障碍到另一个地方。研究人员设计了混合捕蝇纸、粘胶水、钉子和冰冻墙面的通道,而机器人成功越过了所有阻碍,并在传感器帮助下,通过感知二氧化碳的方式寻找到了被困幸存者模型。整个过程中,虽然机器人的躯干被钉子刺破,但由于被刺破的区域没有继续移动,钉子堵住了气孔,机器人的气腔保持正常。

  在另一些极端情况下,机器人“举起”了100公斤的木箱,从只有躯干截面面积10%的门隙中穿越而过,并且还进入了天花板顶上、墙内管道等地方,甚至为人们提供了一种在狭小空间布置路由线的新方法。

  它们比纯机械机器人更安全

  研究者指出,人们应该关注的是,软体机器人能够移动进入一个不可预知的困境中,它的行动不受障碍物的影响,人们不必担心它在探索时被破坏或卡死。原始版之后,新开发的机器人版本还囊括了一个控制系统,能够让机器人膨胀,使生长方向朝左或右,并将末端摄像机拍下的图像传到外界。

  这种机器人的主要优点在于,它们比纯机械机器人更安全。这不仅是因为它们柔软,还因为它们往往极轻,便于延展靠近人体。而且,它行动灵活,可以在复杂路径中前行。当然,这得归功于科学家们制作出的精确运动模型。一般来说,纯机械机器人更易于建模和控制,但为了让软体机器人也达到同样的行动效果,就需要进行大量试验,获得足够精确的数据,编写新的控制算法,让机器人末端的摄像机能够以超高速率处理运动指令,引导机器人的“生长”方向,完成任务。

  如前所述,科学家们手工制造的原型是通过气压驱动,未来希望制造出液体驱动的版本。一旦软体机器人内腔能够输入水或其它液体,那么就能向狭小空间或封闭空间内的人输送这些东西,甚至还能帮忙进行灭火。因此研究者也在试验用耐撕尼龙或芳纶等材料制作软体机器人的外壳。

  研究者也想看到不同尺寸的软体机器人会如何工作,因此他们还造出了一个仅有1.8毫米直径的机器人版本。未来,他们希望小微型软体机器人能推进医疗进步,比如进入患者身体,在不影响其它器官组织的情况下“生长”,完成检查任务等等。

  本版文并供图/罗春晓

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