“章鱼机器人”:开启软体机器人新时代

2016-09-21 13:14:27|来源:科技日报|编辑:王帆 |责编:董健雄

  美国科学家携手研制出了一款外表酷似章鱼的“章鱼机器人(Octobot)”,这款湿软的机器人“身高”不足2厘米,是第一款全部由柔性零件组成的全自动、自带燃料、“自给自足”的机器人。据英国《自然》杂志近日报道,研究人员称,“章鱼机器人”正在软体机器人的海洋中翻起朵朵浪花。

  制造出柔性零件是关键

  近年来,工程师和科学家们对软体机器人的兴趣与日俱增,他们希望超越类似“终结者”那样由坚硬的金属材料制成的机器人,设计出一些新型机器人:它们能被挤压进紧密的空间内;能根据周围环境改变形状;或者能安全地操作精巧的物体。

  想象非常美好,但对研究人员而言,在现实生活中制造出能替代电池、电路等刚性部件的柔性零件,一直是横亘在研制软体机器人道路上的“拦路虎”。麻省理工学院(MIT)人工智能实验室(CSAIL)主任、机器人专家丹妮拉·鲁斯称:“在传统机器人身上,大脑、电子设备、电池,这些零件都很坚硬。软体机器人是一个新领域,令人兴趣盎然。”

  新研制出的“章鱼机器人”由硅橡胶制成,其“大脑”是一款柔性微流体芯片,内部的阀门和开关由压力激活,引导液态燃料流过“身体”,从而控制8只“爪子”的动作。该研究的领导者之一、哈佛大学工程师罗伯特·伍德说:“它类似一个普通电路,只不过不是传递电子,而是传递液体和气体。”

  “章鱼机器人”的身体由3D打印而成。为制造“章鱼机器人”的身体,研究人员将硅橡胶倾倒入一个章鱼形状的模具中,接着用3D打印机朝其中注入特殊墨水,随后通过加热来矫正其结构,并使墨水蒸发——在机器人的爪子内部留下一个中空的网络并同大脑相连,机器人的“大脑”通过这个中空管道同爪子“交谈”。

  摒弃电池使用液态燃料

  很多软体机器人会与压缩空气罐相连,利用其提供电力,但这会限制机器人的行动范围,为此,伍德和同事另辟蹊径,使用液体燃料并利用化学反应来为这个机器人供电。

  他们的燃料是浓度为50%的过氧化氢溶液,“章鱼机器人”的内部充满了这种溶液,与此同时,他们也朝机器人内部注入了铂(充当催化剂,为了达到更好的效果,实际采用的是铂金属粉末),当溶液遇到铂,它很快会分解成体积更大的水和氧气。随着氧气增多,“章鱼机器人”身体内的压力加大,就会打开一些微阀门而关闭另一些微阀门,使燃料每次只流向系统的一边,让这边的四条“爪子”充满氧气,从而驱动章鱼的“爪子”向前伸展。随着这边的燃料不断消耗,内部压力下降,使燃料进入另一边,这边关闭,整个“爪子”向前伸展的“剧情”再次上演一遍。

  意大利圣安娜高级研究学院的塞西莉亚·拉丝慈说:“微流体和化学反应的‘联姻’非常有趣。这是一种全新且与众不同的制造和看待软体机器人的方式。”

  进一步提高软硬件性能

  目前,这款章鱼机器人能活动大约8分钟,消耗的燃料为1毫升。伍德说,他们并没有设计让这款机器人执行特定的任务,它也不能模拟真正章鱼的“一举一动”,它只不过证实了这一技术可行。研究人员表示,未来,他们将进一步提高微流体电路的复杂程度,使其更耐用;而且改进“爪子”设计的方法,让其能更好地运动,如此一来,得到的软体机器人或能实现更复杂的运动。

  美国康奈尔大学的材料工程师罗伯特·谢普德对《自然》杂志说:“现在,我们需要解决的问题是,如何对机器人重新编程,让其执行不同的运动并对环境做出反应,而不仅仅是执行预编程的指令序列。”谢普德目前专注于研究是否能让效率更高的微流体电路同柔性传感器相结合,从而制造出更智能、更能适应环境的软体机器人。

  研究人员指出,虽然软体机器人仍处于萌芽和起步阶段,但它或许能在很多领域“大展拳脚”,比如维修和检测设备、执行搜救行动以及进行环境探测,甚至在医学领域发挥重要作用。

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