「土行孙」机器人登上Science子刊封面，用气流在地下穿梭自如，速度达每秒4.8米...

Posted 2021-07-15 QbitAl

明敏 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

你能想到这个看上去略显呆萌的“异物”，其实是个能挖洞的软体机器人吗？

怎么让我想到了大白？

不仅是长相，连构造上都有点像。

这个挖洞机器人和大白一样也是充气的。

而且在能力上也像大白一样强悍，在没有任何挖掘工具的情况下都能灵活遁地。

比如，短短几秒钟就能钻到沙土里。

深入“地下”也是so easy，速度还非常快。

而且可以像土行孙一样潜在地下、穿梭自如。

这就是最近登上Science子刊《Science Robotics》封面的软体机器人，由加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员共同开发。

它能以每秒4.8米的速度在干燥沙土中打洞，还可以在沙里360度灵活转向。

这也为研究机器人如何在地下工作打开了一个新思路。

目前，该团队已经与NASA达成合作，为月球、土卫二提供挖掘技术。

气流遁地术

所以，这个看上去“手无缚鸡之力”的软体机器人，是如何在地下工作的呢？

要知道，地下环境中的阻力可比空气、海洋中的大多了。

这也是机器人尚未能在地下空间大展拳脚的主要原因之一。

△不同介质中的阻力差别

为此，科学家们开始从地下生物身上找灵感。

首先被想到的就是植物的根茎。

它们能够在地下纵深蜿蜒，主要靠的就是根茎尖端。

所以这款软体机器人也有一个类似的机械尖端，可以用来开路；主体部分选用了较为光滑的软管，用气体来驱动机器人前进。

这样可以提升机器人行动的速度和灵活性。

不过研究人员很快发现，当机器人在沙土中越走越远时，它的身体也越来越长，产生的阻力就会随之增加，最终它会因为克服不了阻力而动弹不得。

这时，他们又想到了章鱼。

章鱼是软体动物，它想要潜入沙堆里时，会先喷出一股水流把沙子打散，然后用触手把自己拉到沙子里。

所以，研究人员在机器人的尖端上又加了一个空气喷流装置。

让它先把沙子打松散，以降低机器人通过时的阻力。

当机器人前进的阻力问题解决后，研究人员发现它的前进效果还是不够好。

因为机器人总是在沙土里走着走着，就探出了头。

这其实是因为在沙堆中的受力情况非常复杂，除了水平方向上的阻力，还有垂直方向产生的升力。

因此，机器人很难始终保持在一种平衡的状态下。

那么如何让它在地下穿梭自如呢？

这一次，研究人员想到了沙漠中的爬行动物。

比如砂鱼蜥，就可以利用楔形的头部来调整在土里的升力。

为此，研究人员加装了一个垂直方向上的空气喷流，以对抗机器人在潜行过程中会产生的升力。

从效果看，虽然机器人这样走的非常狂野，但是它能够保持在地下潜行了。

阻力大幅减小

为了能准确了解软体机器人的运行情况，研究人员分别测试了软体机器人3种情况下的表现：

• 只有尖端装置

• 加装有1个气流装置

• 加装有2个气流装置

在仅使用机械尖端开路的情况下，软体机器人在水平方向上前进的阻力，并不会随着路线的增加而增长。

而不使用尖端开路的情况下，阻力和路线长度成正比。

在软体机器人安装1个气流装置后：

垂直方向上，不使用空气气流驱动时，所产生的阻力和到达的深度成正比。

而随着气流速度的不断增加，所产生的阻力会明显减小，但是到达一定的深度后阻力还是会大幅上升。

研究人员测试了在不同深度的沙土中，软体机器人水平运动时的阻力和升力情况。

同时，他们也改变了气流装置的角度，其中0度表示与水平方向平行，90度则表示与水平方向垂直。

数据显示，在43mm和80mm的深度中，软体机器人前行时的阻力都随着气流速度的增大而降低（下图B和C）。

不过阻力大小和气流角度就不是简单的正负比关系了。

在升力方面，增加气体流速会降低升力。

在40mm深度中（图D），气流夹角在0-30度之间，升力会随着角度的增大而增大，在30度时达到最大值；

在30-60度之间，升力随着角度的增大，大幅降低；

60-90度之间，升力基本保持不变。

在80mm深度中（图E），也显示了类似的趋势，较低角度对减少升力的效果较差，随着角度升高，能达到的效果会相对更好。

在1个动力气流装置的基础上，加装1个垂直方向的气流装置后：

软体机器人的潜行效果和垂直方向上的气流流速呈正比。

在低速下，软体机器人潜行9.2s后就从沙土里钻了出来；

在高速下，运行24.6s后仍旧能很好埋在沙里。

未来将走向太空

像这样的小型软体挖掘机器人，能够应用的场景有很多，比如土壤采样、地下勘探等。

而且这种机器人还能把自己固定在介质中，这对太空低重力环境中的探索非常有意义。

目前，该研究团队已经与NASA开展了一个合作项目，为月球、土卫二开发提供挖掘技术。

通讯作者Elliot Hawkes表示：

我们相信这种挖洞方式有可能为机器人在太空应用开辟新的途径。

Elliot Hawkes是加州大学圣巴巴拉分校机械工程学的一位助理教授，主要研究方向为动力系统和机器人控制。

参考链接：
[1]https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe2922
[2]https://www.youtube.com/watch?v=v1nmNDtqs4Q
[3]https://www.sciencedaily.com/releases/2021/06/210616154236.htm