新型軟體延展機器人

想像救援人員在倒塌的建築廢墟中搜尋生還者。他們沒有用手挖掘廢墟或者用搜救犬嗅探生命跡象，而是拿出一個小型的氣密圓柱。他們將這個設備放在廢墟的入口，擰開開關。卷鬚就從圓柱體的一端伸展到石頭和泥土之中，就像是快速攀緣的藤蔓。卷鬚尖端的相機使搜救者能看到碎石之下不可達的地方。

這是斯坦福大學機械工程師們創造的一種新型機器人的一種可能應用場景，這一研究已發表在7月19日的科學機器人雜誌上。受到通過生長跨越距離的自然生命體的啟發，比如藤蔓，真菌和神經細胞，研究者製造了一個軟體伸展機器人的概念驗證，並在幾個有挑戰性的測試中運行了。

credit: 煎蛋畫師，不務正業的小編樂米張

研究資深作者、機械工程教授Allison Okamura解釋道：「本質上，我們試圖理解這一新方法的基礎來獲得機動性和運動機制。這與動物或者人類在世上行走的方式非常非常不同。」

為了研究這種機器人能做什麼，小組製造了一個原型機，使其在各種障礙物之間穿梭，向著預定的目標運動並延展為獨立支撐的結構。這個機器人能用於很多用途，特別是搜救和醫療設備領域。

延展機器人

這個機器人背後的基本想法很簡單。這就是一個內部摺疊有柔軟材料的管子，就像是由內而外的襪子，正面朝外時管子前方的材料外翻，裡面的材料繼續跟進，從而朝著一個方向延展。原型機中，材料是一種薄薄的廉價塑料，科學家將壓縮空氣泵入靜止端時，機器人身體就外翻。在其他的版本中，也可以用液體代替壓縮空氣。

尖端運動但軀體不動這一設計使得這種機器人很有用。

加州大學聖巴巴拉分校訪問助理教授、論文第一作者Elliot Hawkes解釋道：「隨著材料從一端延展出來，軀體就會延長，但軀體的剩餘部分並不會移動。軀體可能會在環境中粘者被石塊卡住，但這不會阻止機器人，因為隨著新材料不斷添加到前端，機器人將持續前進。」

研究小組以多種方式測試了這一方法在使機器人從一個地點到達另一個地點方面的優勢。在越障訓練場地中，這個機器人穿過捕蠅紙、黏黏的膠水以及釘子，爬上冰牆傳遞一個可以感應被困生存者產生的二氧化碳的感測器。這個機器人成功完成了這一任務，雖然在任務中被釘子扎穿了，但扎穿的區域並沒有繼續運動，而是固定在釘子上方保持了氣密性。

在另一個演示中，機器人舉起了100公斤重的板條箱，在10%直徑的門下縫隙生長，自我盤旋形成自支撐結構，然後發出無線信號。這個機器人還在狹小的吊頂中靈活移動，能夠在障礙物中導航。此外，它在延展的時候還能拉動線纜，提供了狹小空間中布線的新方式。
困難的環境

Okamura實驗室的研究生、共同作者Laura Blumenschein說道：「我們注重的應用是那種機器人在困難環境中運動，其中的特徵不可預測，空間結構也未知。如果你能將一個機器人放入這種環境，而且它不會受到運動中障礙物的影響，那麼你就不需要擔心它會在探索的時候受損或者卡住。」

這種機器人的控制系統能對軀體差異化充氣，使機器人左轉或右轉。研究者開發了一個軟體系統，基於機器人尖端的相機獲得的圖像進行方向決策。

軟體機器人一個主要的優勢是比剛體堅硬的機器人更安全，不僅是因為本身柔軟，還因為一般比較輕質。當機器人會在人類近處運動時，這就很有用了。這個機器人的另一個優勢是可延展性，能跟隨複雜的路徑。

論文共同作者研究生Joey Greer稱，控制機器人需要精確的運動模型，而軟體機器人的運動模型難以創建。而剛體機器人更容易建模和控制，但在很多必須要求延展性和安全性的情形下並不適用。「另外，使用相機引導機器人前往目標是一個困難的問題，因為相機圖像的處理需與圖像獲取速率一致。在設計能快速運行併產生足以控制機器人精度的結果的演算法方面，我們做了大量工作。」

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更大更小

科學家們親手製造了這個原型機，利用加壓空氣進行驅動。以後，研究者將創造可以自動化製造的版本。未來的版本可能也會利用液體延展，將幫助給困在狹小空間中的人們運水或者狹小房間中滅火。他們也正在探索新的更堅韌材料，比如尼龍和芳綸。

研究者也希望能將機器人做得更大和更小看看錶現如何。他們已經製造了一個1.8毫米的版本，認為小型延展機器人更有利於醫療應用。

論文原文: DOI: 10.1126/scirobotics.aan3028

本文譯自 techxplore，由譯者 CliffBao 基於創作共用協議(BY-NC)發布。

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