「土行孙」机器人登上Science子刊封面,用气流在地下穿梭自如

你能想到这个看上去略显呆萌的“异物”,其实是个能挖洞的软体机器人吗?

怎么让我想到了大白?

不仅是长相,连构造上都有点像。

这个挖洞机器人和大白一样也是充气的。

而且在能力上也像大白一样强悍,在没有任何挖掘工具的情况下都能灵活遁地。

比如,短短几秒钟就能钻到沙土里。

深入“地下”也是so easy,速度还非常快。

而且可以像土行孙一样潜在地下、穿梭自如。

这就是最近登上Science子刊《Science Robotics》封面的软体机器人,由加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员共同开发。

它能以每秒4.8米的速度在干燥沙土中打洞,还可以在沙里360度灵活转向。

这也为研究机器人如何在地下工作打开了一个新思路。

目前,该团队已经与NASA达成合作,为月球、土卫二提供挖掘技术。

气流遁地术

所以,这个看上去“手无缚鸡之力”的软体机器人,是如何在地下工作的呢?

要知道,地下环境中的阻力可比空气、海洋中的大多了。

这也是机器人尚未能在地下空间大展拳脚的主要原因之一。

△不同介质中的阻力差别

为此,科学家们开始从地下生物身上找灵感。

首先被想到的就是植物的根茎。

它们能够在地下纵深蜿蜒,主要靠的就是根茎尖端

所以这款软体机器人也有一个类似的机械尖端,可以用来开路;主体部分选用了较为光滑的软管,用气体来驱动机器人前进。

这样可以提升机器人行动的速度和灵活性。

不过研究人员很快发现,当机器人在沙土中越走越远时,它的身体也越来越长,产生的阻力就会随之增加,最终它会因为克服不了阻力而动弹不得。

这时,他们又想到了章鱼

章鱼是软体动物,它想要潜入沙堆里时,会先喷出一股水流把沙子打散,然后用触手把自己拉到沙子里。

所以,研究人员在机器人的尖端上又加了一个空气喷流装置。

让它先把沙子打松散,以降低机器人通过时的阻力。

当机器人前进的阻力问题解决后,研究人员发现它的前进效果还是不够好。

因为机器人总是在沙土里走着走着,就探出了头。

这其实是因为在沙堆中的受力情况非常复杂,除了水平方向上的阻力,还有垂直方向产生的升力

因此,机器人很难始终保持在一种平衡的状态下。

那么如何让它在地下穿梭自如呢?

这一次,研究人员想到了沙漠中的爬行动物

比如砂鱼蜥,就可以利用楔形的头部来调整在土里的升力。

为此,研究人员加装了一个垂直方向上的空气喷流,以对抗机器人在潜行过程中会产生的升力。

从效果看,虽然机器人这样走的非常狂野,但是它能够保持在地下潜行了。

阻力大幅减小

为了能准确了解软体机器人的运行情况,研究人员分别测试了软体机器人3种情况下的表现:

  • 只有尖端装置
  • 加装有1个气流装置
  • 加装有2个气流装置

在仅使用机械尖端开路的情况下,软体机器人在水平方向上前进的阻力,并不会随着路线的增加而增长。

而不使用尖端开路的情况下,阻力和路线长度成正比。

在软体机器人安装1个气流装置后:

垂直方向上,不使用空气气流驱动时,所产生的阻力和到达的深度成正比。

而随着气流速度的不断增加,所产生的阻力会明显减小,但是到达一定的深度后阻力还是会大幅上升。

研究人员测试了在不同深度的沙土中,软体机器人水平运动时的阻力和升力情况。

同时,他们也改变了气流装置的角度,其中0度表示与水平方向平行,90度则表示与水平方向垂直。

数据显示,在43mm和80mm的深度中,软体机器人前行时的阻力都随着气流速度的增大而降低(下图B和C)。

不过阻力大小和气流角度就不是简单的正负比关系了。

在升力方面,增加气体流速会降低升力。

40mm深度中(图D),气流夹角在0-30度之间,升力会随着角度的增大而增大,在30度时达到最大值;

在30-60度之间,升力随着角度的增大,大幅降低;

60-90度之间,升力基本保持不变。

80mm深度中(图E),也显示了类似的趋势,较低角度对减少升力的效果较差,随着角度升高,能达到的效果会相对更好。

在1个动力气流装置的基础上,加装1个垂直方向的气流装置后:

软体机器人的潜行效果和垂直方向上的气流流速呈正比。

在低速下,软体机器人潜行9.2s后就从沙土里钻了出来;

在高速下,运行24.6s后仍旧能很好埋在沙里。

未来将走向太空

像这样的小型软体挖掘机器人,能够应用的场景有很多,比如土壤采样、地下勘探等。

而且这种机器人还能把自己固定在介质中,这对太空低重力环境中的探索非常有意义。

目前,该研究团队已经与NASA开展了一个合作项目,为月球、土卫二开发提供挖掘技术。

通讯作者Elliot Hawkes表示:

我们相信这种挖洞方式有可能为机器人在太空应用开辟新的途径。

Elliot Hawkes是加州大学圣巴巴拉分校机械工程学的一位助理教授,主要研究方向为动力系统和机器人控制。

本文经AI新媒体量子位(公众号ID:QbitAI)授权转载,转载请联系出处。

  • 发表于:
  • 原文链接http://news.51cto.com/art/202106/667660.htm
  • 如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

扫码关注云+社区

领取腾讯云代金券