3根机械手指打《超级马里奥》登上Science子刊

Posted 2021-08-31 QbitAl

丰色 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

见过了机械手捏易拉罐、盘“核桃”、玩魔方……

见过它玩超级马里奥吗？

下面就有一只只有3根手指头的机械手，“气定神闲”地操纵着游戏手柄顺利通过马里奥第一关。

ps.是不是有点看不清手指的按动，放大版：

虽然这个操作和玩魔方比起来没有那么炫酷，但你仔细看，此机械手并非由传统的金属等材料制成，而是由塑料、橡胶等材料通过3D打印制造的一个“软体”机械手。

是的，软体的，里面不包含任何金属机械手的装置。

那它是如何控制“自己”从而通关游戏的呢？

△成果登上了Science子刊

一只流体控制的机械手

也许你猜到了，就是靠流体控制。

它用到了一些3D流体电路元件，包括流体二极管、“常闭”/“常开”流体晶体管，相比刚性机械手，这种材料组成的易制造、易操控、更灵活，控制不大点的游戏按键玩起超级马里奥完全没问题。

流体晶体管：一种在室温下呈液态的金属合金，将其注入橡胶后被制成像天然皮肤一样柔软和富有弹性的晶体管。

使用流体晶体管的另一个好处是，不用给每个手指都配备控制线，只需给予压力变化每个手指就都能独立运动（有的机械手只能四根手指一起联动）。

而之所以能通关超级马里奥游戏，是通过研究人员设计的一个集成流体电路，再通过控制程序来设置不同的压力值从而控制整个机械手进行按键运动。

比如当施加低压力时，食指就会按键使马里奥前行，施加高压则会让马里奥跳跃，中压为奔跑。

下图为手指的内部构造，由流体晶体管和可浮动的圆盘组成，通过内部液态合金的流动来控制电路的打开与关闭。

△ B为正向流动电路，C为反向，D为压力与流向的关系

简单来说，随着施加压力的大小变化，手指内部流体晶体管里的流体会跟着发生变化，从而影响可浮动圆盘的位移大小，不同的膨胀度会给指尖施加不同的向下运动的力，最终控制电路完成手指动作。

而之所以选择玩超级马里奥游戏来测试效果，研究人员表示：

这并不仅仅是为了怀旧，同时也是出于科学考量。因为这个游戏的时间安排与关卡构成是固定的，只需要根据预编程的动作来计时机械手的操作时间就可以比较与衡量它的性能。

也可以说玩超级马里奥是一种评估软体机械手性能的新方法。

不过，软关节组件在执行“充气”和“放气”过程时会出现时间上的延迟，因此在设计程序时需将这个因素考虑在内。

几个小时就能打印出来一只

另一个优点是，不需要数天数周，这样一只机械手几个小时就可以完成3D打印。

他们使用了PolyJet3D打印技术，以逐行、逐层的方式进行流体通道和软管关节等的打印。

PolyJet以更接近2D喷墨印刷的方式工作，挤出机在印刷床上沉积所选择的光聚合物材料的微小液滴，然后用紫外光固化。可打印出自然光滑的表面，这意味着可以大大减少后期处理中进行额外的打磨或抛光的工作量。

打印完成后，只需要花上十多分钟的时间将水溶性支架材料手动去除，就可以得到最终产品。

而相较于传统的刚性机器人，软体机器人/机械手往往具有较高的安全性和灵活性，可以做到一些刚性机器人做不到的操作，这也激发了不少人的兴趣来研究如何将其应用于假肢和生物医学设备等方面。

据估算，这个机械手的打印成本大约100美元。团队将他们的打印方法开源，希望可以加速该领域的发展。

论文地址：
https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

参考链接：
https://arstechnica.com/science/2021/07/this-3d-printed-soft-robotic-hand-beat-the-first-level-of-super-mario-bros/?comments=1