【重磅】Nature:首个完全柔性章鱼机器人,无需电力气体驱动

【新智元导读】Nature今日刊文,哈佛大学研究人员用硅胶制作了一个章鱼形的柔性机器人 Octobot(材料费一只总价不到 3 美元),无需电力驱动,使用微流控技术,首次实现了机器人身体全部都由柔性材料构成。这项研究成果未来有助于研发能够感知周围环境,与人类互动的自动机器人。本文后半部分编译了意大利机器人技术研究者 Barbara Mazzolai 和 Virgilio Mattoli 发表在 Nature 的对这项研究的评论。

Nature 今日发表文章,哈佛大学 Wyss 生物启发工程学研究所的 Robert Wood 和 Jennifer Lewis 描述了一个外表酷似章鱼的完全柔性机器人 Octobot,没有使用任何刚性结构和控制系统。

Wood 在新闻发布稿中介绍,一直以来,研究人员都想要找到能够替代电池、电路等刚性部件的柔性材料,并将其组装成系统。现在他们的研究证明这一点可以做到,并且 Octobot 作为原型机为今后的研究打下了基础。

Octobot 不需要电力,内部充满了液体的过氧化氢,与铂催化剂发生化学反应时,释放出氧气。随着氧气增多,控制仓(也就是章鱼的“身体”)内压强加大,就会打开一些微阀门、关上另一些微阀门,让章鱼的 4 条爪充满氧气,在这些氧气的驱动下,章鱼的爪就会向前伸。之后,在下一次类似的过程中,章鱼的另外 4 条爪会以同样的方式运动。来源:Nature

Octobot 不使用电力驱动,而采用微流控产生。微流控(Microfluidics)是在封闭的微通道网络中生成和操控包括光、电在内的流体的科学与技术。研究证实,微流控芯片能够实现与普通的微型电子芯片一样的性能。

Octobot 微流控芯片线路

Octobot 的微流控芯片使用 3D 打印的微管道网络构成。当前这个版本还没有开关,当充满燃料以后 Octobot 就开始活动(摆动它的 8 条爪)。

研究人员表示,将来可能会为它加上开关,并安装更加复杂的控制器和传感器。有了传感器以后,机器人就能感知周围的环境并作出相应的反应。此外,设计更加复杂的微流控芯片,同时开发结构更加复杂的柔性机器人,提高燃料的使用效率和机器人的动作表现,研究人员还能制造出能够自己游动的机器人。

Wehner 表示,他们认为柔性机器人将拓展机器人在人类社会中扮演的角色,改变机器人与人类的互动。此外,柔性机器人还有一个非常有前景的应用领域,那就是危险环境中的搜救机器人。

“Octobot 用的全部材料加起来就 2 美元多一点,燃料(过氧化氢)每份大约 5 美分。我们完全可以设想未来,派 100 个这样的机器人去调查某个环境,预期报废率 80%。”

完全柔性机器人,不受线缆束缚

机器人通常用于结构良好的制造业环境。在这些场合下,机器人按照预定程序行动,为了安全起见它们与人类操作员的交互有限。但是,如果这些机器被转移到工厂之外的“真实”环境中,它们将必须应对不确定的情况,适应不断变化的环境并做出反应,安全地与包括人类在内的活的有机体进行交互。然而,用常规技术和硬性材料是很难做到这些的。

传统机器人的材料和结构经不起刮擦、撞击,在崎岖不规则的平面上活动不便。因此,科学家正越来越多地把注意力放到柔性材料机器人上面。用柔性、可变形材料制作的机器人将能更好地抓取和操纵未知物体,在非结构化的粗糙地形上移动,而且对人的危害会更小。

柔软的身体部位是许多自然生物的重要组成部分。鱿鱼、海星和蠕虫等动物几乎全部由柔性材料和液体组成,从而增加它们的适应性和鲁棒性。因此,越来越多的人相信,柔性材料可以帮助机器人技术超越目前的能力,允许机器人伸长、挤压、攀爬和成长。例如,受章鱼启发发明的柔性机械手臂能伸长,模仿毛虫的柔性机器人能滚能跳。

2011年,Wehner的研究团队就制作过完全柔性机器人。当时,这个机器人完全由柔性材料组成,但是,使用常规的泵阀系统来实现(驱使)不同类型的运动,并且通过电缆连接到机器人。

现在,Wehner的团队扩展了他们的技术,不仅机器人的身体和致动器是使用柔性材料制作,而且控制系统和电源也是,还被集成到了机器人体内。这使得他们的机器人成为第一个完全柔性机器人,其操作能不受线缆的束缚。

问题及优化

这个有着章鱼外形的机器人——被团队称为“octobot”(章鱼机器人)——有8条手臂,由气动机构驱动;气动机构的运作依赖于内嵌的可充气隔间的扩张,相当于致动器。这些致动器被集成到一个由液体燃料(液体过氧化氢)供能的流体气动网络。该燃料通过含有铂催化剂的反应室,催化剂会使过氧化氢分解,产生氧气使致动器膨胀,从而使机器人的手臂发生运动。

Octobot 身体可以充气,微流控电路(红色)与超弹性机械置动臂(蓝色)

Wehner等人使用完全柔性流体电路来控制章鱼机器人手臂动作的顺序,该电路基于一个充当逻辑门部件的阀门系统。该电路产生振荡,将来自燃料储存室的加压燃料流入转换成流出,燃料流在不同反应室之间交替流出流入,直到系统耗尽燃料。因此,章鱼机器人能重复运动周期,它先升高4条手臂同时降低其他4条手臂,然后再做相反的动作(见go.nature.com/2b3cn3s)。整个机器人的身体,包括流体电路,都是由硅氧烷材料制作,这种材料具有不同的机械性能,适合各个子系统的功能要求。

自主式柔性机器人的实现需要综合不同的材料和功能,比如致动、供能和逻辑的整合;章鱼机器人是证明这种方法具有的潜力的最小系统。为达到所需的一体化,Wehner等人使用了先进制造技术的组合——包括微成型、软光刻和多材料嵌入三维打印技术——来制作嵌入有流体通道的橡胶结构,其长度尺度跨越几个数量级。尽管很复杂,这种制造工艺的可定制性使得研究人员能用快速试错的方法来验证设计修改的可行性,从而快速优化最终的产品。

Wehner的团队使用柔性材料和连续变形——连续弯曲手臂以产生运动,而不是靠转动关节连接的刚性结构来运动——为科技的进一步发展打下基础。接下来要做的是:开发允许更大范围的运动的计算控制系统(如更复杂的流体电路);制定柔性机器人的新设计规则;采用并提高制造技术。

然而,其他挑战依然存在。例如,柔性机器人可以对环境施加的力量可能有限,这可能会限制它们的应用。此外,使用流体逻辑电路作为控制系统,而不是用传统的电子电路,可能会限制产生的动作的复杂性。要让机器人在真实情境做出所需的行为,还需要更深入地理解柔性材料的特性以及它们如何与控制系统、环境交互。

虽然柔性机器人技术仍处于起步阶段,但是它在某些应用上前景广阔,比如维修和检测设备、搜救行动以及环境探测。柔性机器人还可能为改善健康和生活质量提供新方法。能全方向弯曲、伸长、硬化程度可调节的柔性内窥镜,以及用于踝关节和足部康复的柔性矫形器都已经成为现实。Wehner团队的研究结果可能有助于指导这些方向的研究,为这一新学科巩固知识基础。

来源:

http://www.nature.com/nature/journal/v536/n7617/full/536400a.html

原文发布于微信公众号 - 新智元(AI_era)

原文发表时间:2016-08-25

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