「土行孫」機(jī)器人登上Science子刊封面，用氣流在地下穿梭自如

明敏 2021-06-22 17:38:27 來源：量子位

明敏 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

你能想到這個(gè)看上去略顯呆萌的“異物”，其實(shí)是個(gè)能挖洞的軟體機(jī)器人嗎？

怎么讓我想到了大白？

不僅是長(zhǎng)相，連構(gòu)造上都有點(diǎn)像。

這個(gè)挖洞機(jī)器人和大白一樣也是充氣的。

而且在能力上也像大白一樣強(qiáng)悍，在沒有任何挖掘工具的情況下都能靈活遁地。

比如，短短幾秒鐘就能鉆到沙土里。

深入“地下”也是so easy，速度還非常快。

而且可以像土行孫一樣潛在地下、穿梭自如。

這就是最近登上Science子刊《Science Robotics》封面的軟體機(jī)器人，由加州大學(xué)圣巴巴拉分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員共同開發(fā)。

它能以每秒4.8米的速度在干燥沙土中打洞，還可以在沙里360度靈活轉(zhuǎn)向。

這也為研究機(jī)器人如何在地下工作打開了一個(gè)新思路。

目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與NASA達(dá)成合作，為月球、土衛(wèi)二提供挖掘技術(shù)。

氣流遁地術(shù)

所以，這個(gè)看上去“手無縛雞之力”的軟體機(jī)器人，是如何在地下工作的呢？

要知道，地下環(huán)境中的阻力可比空氣、海洋中的大多了。

這也是機(jī)器人尚未能在地下空間大展拳腳的主要原因之一。

△不同介質(zhì)中的阻力差別

為此，科學(xué)家們開始從地下生物身上找靈感。

首先被想到的就是植物的根莖。

它們能夠在地下縱深蜿蜒，主要靠的就是根莖尖端。

所以這款軟體機(jī)器人也有一個(gè)類似的機(jī)械尖端，可以用來開路；主體部分選用了較為光滑的軟管，用氣體來驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

這樣可以提升機(jī)器人行動(dòng)的速度和靈活性。

不過研究人員很快發(fā)現(xiàn)，當(dāng)機(jī)器人在沙土中越走越遠(yuǎn)時(shí)，它的身體也越來越長(zhǎng)，產(chǎn)生的阻力就會(huì)隨之增加，最終它會(huì)因?yàn)榭朔涣俗枇Χ鴦?dòng)彈不得。

這時(shí)，他們又想到了章魚。

章魚是軟體動(dòng)物，它想要潛入沙堆里時(shí)，會(huì)先噴出一股水流把沙子打散，然后用觸手把自己拉到沙子里。

所以，研究人員在機(jī)器人的尖端上又加了一個(gè)空氣噴流裝置。

讓它先把沙子打松散，以降低機(jī)器人通過時(shí)的阻力。

當(dāng)機(jī)器人前進(jìn)的阻力問題解決后，研究人員發(fā)現(xiàn)它的前進(jìn)效果還是不夠好。

因?yàn)闄C(jī)器人總是在沙土里走著走著，就探出了頭。

這其實(shí)是因?yàn)樵谏扯阎械氖芰η闆r非常復(fù)雜，除了水平方向上的阻力，還有垂直方向產(chǎn)生的升力。

因此，機(jī)器人很難始終保持在一種平衡的狀態(tài)下。

那么如何讓它在地下穿梭自如呢？

這一次，研究人員想到了沙漠中的爬行動(dòng)物。

比如砂魚蜥，就可以利用楔形的頭部來調(diào)整在土里的升力。

為此，研究人員加裝了一個(gè)垂直方向上的空氣噴流，以對(duì)抗機(jī)器人在潛行過程中會(huì)產(chǎn)生的升力。

從效果看，雖然機(jī)器人這樣走的非?？褚埃撬軌虮３衷诘叵聺撔辛?。

阻力大幅減小

為了能準(zhǔn)確了解軟體機(jī)器人的運(yùn)行情況，研究人員分別測(cè)試了軟體機(jī)器人3種情況下的表現(xiàn)：

• 只有尖端裝置
• 加裝有1個(gè)氣流裝置
• 加裝有2個(gè)氣流裝置

在僅使用機(jī)械尖端開路的情況下，軟體機(jī)器人在水平方向上前進(jìn)的阻力，并不會(huì)隨著路線的增加而增長(zhǎng)。

而不使用尖端開路的情況下，阻力和路線長(zhǎng)度成正比。

在軟體機(jī)器人安裝1個(gè)氣流裝置后：

垂直方向上，不使用空氣氣流驅(qū)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的阻力和到達(dá)的深度成正比。

而隨著氣流速度的不斷增加，所產(chǎn)生的阻力會(huì)明顯減小，但是到達(dá)一定的深度后阻力還是會(huì)大幅上升。

研究人員測(cè)試了在不同深度的沙土中，軟體機(jī)器人水平運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力和升力情況。

同時(shí)，他們也改變了氣流裝置的角度，其中0度表示與水平方向平行，90度則表示與水平方向垂直。

數(shù)據(jù)顯示，在43mm和80mm的深度中，軟體機(jī)器人前行時(shí)的阻力都隨著氣流速度的增大而降低（下圖B和C）。

不過阻力大小和氣流角度就不是簡(jiǎn)單的正負(fù)比關(guān)系了。

在升力方面，增加氣體流速會(huì)降低升力。

在40mm深度中（圖D），氣流夾角在0-30度之間，升力會(huì)隨著角度的增大而增大，在30度時(shí)達(dá)到最大值；

在30-60度之間，升力隨著角度的增大，大幅降低；

60-90度之間，升力基本保持不變。

在80mm深度中（圖E），也顯示了類似的趨勢(shì)，較低角度對(duì)減少升力的效果較差，隨著角度升高，能達(dá)到的效果會(huì)相對(duì)更好。

在1個(gè)動(dòng)力氣流裝置的基礎(chǔ)上，加裝1個(gè)垂直方向的氣流裝置后：

軟體機(jī)器人的潛行效果和垂直方向上的氣流流速呈正比。

在低速下，軟體機(jī)器人潛行9.2s后就從沙土里鉆了出來；

在高速下，運(yùn)行24.6s后仍舊能很好埋在沙里。

未來將走向太空

像這樣的小型軟體挖掘機(jī)器人，能夠應(yīng)用的場(chǎng)景有很多，比如土壤采樣、地下勘探等。

而且這種機(jī)器人還能把自己固定在介質(zhì)中，這對(duì)太空低重力環(huán)境中的探索非常有意義。

目前，該研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)與NASA開展了一個(gè)合作項(xiàng)目，為月球、土衛(wèi)二開發(fā)提供挖掘技術(shù)。

通訊作者Elliot Hawkes表示：

我們相信這種挖洞方式有可能為機(jī)器人在太空應(yīng)用開辟新的途徑。

Elliot Hawkes是加州大學(xué)圣巴巴拉分校機(jī)械工程學(xué)的一位助理教授，主要研究方向?yàn)閯?dòng)力系統(tǒng)和機(jī)器人控制。

參考鏈接：
[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