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研究人員提出了新的在顆粒介質(zhì)中挖掘的動(dòng)力學(xué)理解，結(jié)合關(guān)鍵結(jié)果設(shè)計(jì)出一款帶有尖端延伸噴氣裝置的管狀機(jī)器人，控制地下的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、可控的三維挖掘。
該論文題目為《軟體機(jī)器人通過(guò)控制地下力量實(shí)現(xiàn)快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日發(fā)表在《科學(xué)·機(jī)器人》上。
▍軟體機(jī)器人地下挖掘面臨阻力和升力
機(jī)器人非常適合在極端環(huán)境下使用，如太空、海底或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)可以上天下海，并且在陸地上進(jìn)行各種自由活動(dòng)。然而，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的一個(gè)前沿領(lǐng)域仍未被探索，那就是地下。
論文的第一作者，來(lái)自加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校霍克斯實(shí)驗(yàn)室（Hawkes Lab）的研究生尼古拉斯·納克萊里奧（Nicholas Naclerio）說(shuō)：“在地面上讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，最大挑戰(zhàn)是其所涉及到的各種力，空氣和水對(duì)于穿過(guò)它們的物體阻力很小。但是進(jìn)入地下世界就是另一回事了。如果你試圖鉆進(jìn)地下，就必須將土壤、沙子或其他介質(zhì)推開。”
在地下運(yùn)動(dòng)很困難，部分原因是土壤和顆粒介質(zhì)產(chǎn)生的阻力不僅比空氣或水產(chǎn)生的阻力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，還存在一種不同類型的升力。現(xiàn)有挖掘方法大都依賴于大型機(jī)械裝置，這些裝置具有堅(jiān)硬而巨大的部件，常用裝置如螺旋鉆機(jī)、液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)、隧道鉆機(jī)等，有效地克服了這些力。但是大型裝置的挖掘方式并不適合小型、微創(chuàng)機(jī)器人。
適合機(jī)器人的機(jī)械挖掘方式被逐漸提出，包括螺桿鉆機(jī)、往復(fù)式鉆機(jī)、錘擊機(jī)制等。例如，美國(guó)宇航局（NASA）2018年向火星發(fā)射“洞察號(hào)”探測(cè)器時(shí)，裝備了一種挖掘機(jī)器人“鼴鼠”，就采用了自錘擊方式挖洞，但是受火星土壤性質(zhì)影響，一直未能成功。2021年1月，相關(guān)工程師在最后一次嘗試后，放棄使用“鼴鼠”進(jìn)行火星地底挖掘。可以看出，機(jī)器人挖掘地下還面臨很多挑戰(zhàn)。
研究人員從在地下活動(dòng)的植物和動(dòng)物身上汲取靈感，開發(fā)出了一種快速、可控的軟體機(jī)器人，這款機(jī)器人目前成功實(shí)現(xiàn)在沙子中挖洞。此項(xiàng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在地下進(jìn)行快速、精確、小范圍運(yùn)動(dòng)，還奠定了這類新型機(jī)器人的機(jī)械基礎(chǔ)。
▍自然界可替代挖洞思路
自然界在地下生長(zhǎng)延伸成網(wǎng)絡(luò)的植物和真菌為研究人員提供了許多地下運(yùn)動(dòng)的例子，而動(dòng)物則掌握了直接穿過(guò)顆粒介質(zhì)的能力。佐治亞理工學(xué)院物理學(xué)教授丹尼爾·戈德曼（Daniel Goldman）表示，從機(jī)械物理角度理解植物和動(dòng)物如何掌握地下運(yùn)動(dòng)能力，為科學(xué)和技術(shù)開辟了許多可能性。
“研究不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游動(dòng)和挖掘原理得出的發(fā)現(xiàn)，可以用來(lái)開發(fā)新型機(jī)械和機(jī)器人。”戈德曼說(shuō)：“反過(guò)來(lái)，開發(fā)具有這種能力的機(jī)器人可以促進(jìn)新的動(dòng)物研究，以及顆粒基質(zhì)物理學(xué)中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。”
霍克斯實(shí)驗(yàn)室研究人員設(shè)計(jì)的藤蔓狀軟體機(jī)器人就是一個(gè)良好的開端，該機(jī)器人模仿了植物其他部分保持靜止情況下，根部尖端生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式。根據(jù)研究人員的說(shuō)法，在地下環(huán)境中，尖端生長(zhǎng)保持較低的阻力，但僅局限于生長(zhǎng)端；如果整個(gè)機(jī)器人身體隨著“長(zhǎng)大”而移動(dòng)，介質(zhì)表面的摩擦力會(huì)隨著機(jī)器人更多部分進(jìn)入沙子而增加，直到機(jī)器人不再移動(dòng)。
策略1：尖端延伸
穴居動(dòng)物啟發(fā)了另一種稱為顆粒流化的策略，該策略是將顆粒轉(zhuǎn)化成類似懸浮流體的狀態(tài)，使動(dòng)物能夠克服沙子或松散土壤帶來(lái)的高阻力。例如，章魚會(huì)向地下噴射一股水流，然后用它的觸手將自己拉入暫時(shí)松動(dòng)的沙子中。研究人員在機(jī)器人上安裝了一種基于尖端的流動(dòng)裝置，該裝置將空氣噴射到尖端之前的區(qū)域，使機(jī)器人能夠進(jìn)入該區(qū)域。
策略2：空氣流體
納克萊里奧說(shuō)：“我們的最大挑戰(zhàn)，也是花費(fèi)時(shí)間最長(zhǎng)的問(wèn)題是，當(dāng)機(jī)器人切換到在水平方向上挖洞時(shí)，它總是會(huì)浮出來(lái)。”他解釋道，盡管氣體或液體可以均勻地在對(duì)稱物體的上方和下方產(chǎn)生流動(dòng)，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且對(duì)水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人產(chǎn)生了顯著的上升力。“將沙子推開，比將其壓實(shí)要容易得多。”
為了了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況和探究空氣輔助進(jìn)入的大部分未知物理特性，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了機(jī)器人從水平方向推入沙子，其尖端實(shí)心棒附近流入的不同角度氣流導(dǎo)致的阻力和升力。
“顆粒材料中產(chǎn)生的摩擦力與牛頓流體中產(chǎn)生的摩擦力有很大不同，由于高摩擦力，機(jī)器人進(jìn)入沙子，會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上擠壓大片空間。”羅切斯特大學(xué)的高盛實(shí)驗(yàn)室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡爾賽（Andras Karsai）說(shuō)：“為了緩解這種情況，一種將顆粒物體提升和推開的低密度流體通常會(huì)減少機(jī)器人必須克服的靜摩擦力。”
與氣體或液體不同，向下的流體噴射會(huì)為移動(dòng)的物體產(chǎn)生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在延伸出的尖端下方挖洞。結(jié)合從沙漠蜥蜴那獲得的靈感，類似沙漠蜥蜴楔形的頭部有利于機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)，使研究人員能夠調(diào)節(jié)阻力并保持機(jī)器人水平移動(dòng)而不會(huì)從沙子中浮出。
策略3：不對(duì)稱氣流噴射設(shè)計(jì)
▍氣動(dòng)尖端延伸助力機(jī)器人快速挖洞
三種機(jī)器人挖掘策略效果都很明顯：
采用尖端延伸設(shè)計(jì)可以減少機(jī)器人所受阻力。軟體機(jī)器人和剛性材料機(jī)器人在相同類型的沙子表面向下挖洞時(shí)，其前端阻力相同，但軟體機(jī)器人的接觸阻力較少。相比與之前的InSight HP3探測(cè)器在沙子中0.14米每秒的速度，軟體機(jī)器人在沙子中的極限速度是每秒480厘米，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)高速挖洞。
局部顆粒流化減少阻力。軟體機(jī)器人從尖端噴射氣流后，降低了穿過(guò)干燥沙子的阻力，并且機(jī)器人受到的阻力與進(jìn)入深度非線性比例增長(zhǎng)，而噴射氣體流速增加會(huì)導(dǎo)致比例減少。
而不對(duì)稱的向下氣流可以控制機(jī)器人受到的升力。在大多數(shù)噴射氣流角度下，增加氣流會(huì)降低沙子帶來(lái)的升力。但是比較出乎意料的是不論氣流大小，在30度方向噴射氣流角度時(shí)，機(jī)器人受到的升力最大。
新款軟體機(jī)器人在長(zhǎng)、淺、定向挖洞方面有更好的性能。像這樣的小型探索性軟體機(jī)器人具有多種應(yīng)用，可以完成在干燥的顆粒介質(zhì)中進(jìn)行表層挖洞的任務(wù)，例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和防侵蝕控制。機(jī)器人控制尖端延伸方向并調(diào)節(jié)它在介質(zhì)中錨定的牢固程度，這種控制對(duì)于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)正在與NASA合作開展一個(gè)項(xiàng)目，在月球甚至更遠(yuǎn)的天體（如木星、衛(wèi)星、土衛(wèi)二）上開發(fā)挖洞技術(shù)。
霍克斯（Hawkes）說(shuō)：“我們相信挖洞有可能為外星應(yīng)用機(jī)器人開辟新的途徑。”
▍新材料和新控制技術(shù)讓軟體機(jī)器人有更多可能
軟體機(jī)器人目前的研究涉及新材料和新控制技術(shù)，例如最新這款挖洞機(jī)器人就是參考自然界的植物、章魚、沙漠蜥蜴等鉆地挖洞的機(jī)制，設(shè)計(jì)新的控制技術(shù)，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的J.-Y.Sun團(tuán)隊(duì)研究了水凝膠這種新材料應(yīng)用于制作軟體機(jī)器人組件。
傳統(tǒng)機(jī)器人大多是由限制彈性變形能力的剛性材料制成。軟體機(jī)器人這種新型仿生連續(xù)體機(jī)器人，可以在一定限度內(nèi)隨意變化形態(tài)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)機(jī)器人在適應(yīng)多變環(huán)境上的不足，有望在生物工程、救災(zāi)救援、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療服務(wù)、勘探勘測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
