「土行孫」機器人登上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 報道 | 公眾號 QbitAI

你能想到這個看上去略顯呆萌的“異物”，其實是個能挖洞的軟體機器人嗎？

怎么讓我想到了大白？

不僅是長相，連構造上都有點像。

這個挖洞機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》封面的軟體機器人，由加州大學圣巴巴拉分校和佐治亞理工學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度靈活轉向。

這也為研究機器人如何在地下工作打開了一個新思路。

目前，該團隊已經(jīng)與NASA達成合作，為月球、土衛(wèi)二提供挖掘技術。

氣流遁地術

所以，這個看上去“手無縛雞之力”的軟體機器人，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。

所以這款軟體機器人也有一個類似的機械尖端，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)動機器人前進。

這樣可以提升機器人行動的速度和靈活性。

不過研究人員很快發(fā)現(xiàn)，當機器人在沙土中越走越遠時，它的身體也越來越長，產(chǎn)生的阻力就會隨之增加，最終它會因為克服不了阻力而動彈不得。

這時，他們又想到了章魚。

章魚是軟體動物，它想要潛入沙堆里時，會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，研究人員在機器人的尖端上又加了一個空氣噴流裝置。

讓它先把沙子打松散，以降低機器人通過時的阻力。

當機器人前進的阻力問題解決后，研究人員發(fā)現(xiàn)它的前進效果還是不夠好。

因為機器人總是在沙土里走著走著，就探出了頭。

這其實是因為在沙堆中的受力情況非常復雜，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垂直方向上的空氣噴流，以對抗機器人在潛行過程中會產(chǎn)生的升力。

從效果看，雖然機器人這樣走的非常狂野，但是它能夠保持在地下潛行了。

阻力大幅減小

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

• 只有尖端裝置
• 加裝有1個氣流裝置
• 加裝有2個氣流裝置

在僅使用機械尖端開路的情況下，軟體機器人在水平方向上前進的阻力，并不會隨著路線的增加而增長。

而不使用尖端開路的情況下，阻力和路線長度成正比。

在軟體機器人安裝1個氣流裝置后：

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

而隨著氣流速度的不斷增加，所產(chǎn)生的阻力會明顯減小，但是到達一定的深度后阻力還是會大幅上升。

研究人員測試了在不同深度的沙土中，軟體機器人水平運動時的阻力和升力情況。

同時，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，軟體機器人前行時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單的正負比關系了。

在升力方面，增加氣體流速會降低升力。

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

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，較低角度對減少升力的效果較差，隨著角度升高，能達到的效果會相對更好。

在1個動力氣流裝置的基礎上，加裝1個垂直方向的氣流裝置后：

軟體機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，軟體機器人潛行9.2s后就從沙土里鉆了出來；

在高速下，運行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器人，能夠應用的場景有很多，比如土壤采樣、地下勘探等。

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

目前，該研究團隊已經(jīng)與NASA開展了一個合作項目，為月球、土衛(wèi)二開發(fā)提供挖掘技術。

通訊作者Elliot Hawkes表示：

我們相信這種挖洞方式有可能為機器人在太空應用開辟新的途徑。

Elliot Hawkes是加州大學圣巴巴拉分校機械工程學的一位助理教授，主要研究方向為動力系統(tǒng)和機器人控制。

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