史丹福大學工程師創造可變形、自由漫步的軟機器人

2021-01-09 36氪

編者按：本文來自微信公眾號「學術頭條」（ID:SciTouTiao），作者：小婷，36氪經授權發布。

為了讓機器人與人類協同工作，並在高度工程化的環境中發揮作用，就要求所設計的機器人必須對人類是安全的、健壯的、可適應各種場景的，並且能夠在各種類型地形中靈活移動。

軟機器人技術的發展進步，或許有朝一日可以實現機器人與人類並肩工作，幫助人們舉起重物或將人們帶離危險。

作為邁向未來的一步，3 月 18 日，發表在《科學機器人》（Science Robotics）的一篇論文中，史丹福大學的研究人員通過借鑑傳統機器人技術的特性，開發了一種新型的軟機器人，它既安全，又保留了可以移動和改變形狀的能力。

史丹福大學機械工程專業的研究生 Nathan Usevitch 表示，大多數軟體機器人一個最大的局限性在於，必須將它們固定在笨重的空氣壓縮機上，或插在牆上，從而防止它們移動。

「我們描述的這個機器人，是電影《超能陸戰隊》中大白和變形金剛的混合體。換句話說，這是一款柔軟的、對人類安全的機器人，同時混合了可以顯著改變其形狀的機器人。」

多種機器人的合體

這個柔軟的機器人最簡單的版本是一個充氣管，該充氣管通過三臺小機器將其擠壓成一個三角形。其中，一臺機器把管子的兩端連在一起，另外兩臺機器沿著管道行駛，通過改變機器人的轉角來改變機器人的整體形狀。研究人員稱其為 「等周機器人（isoperimetric robot）」，因為儘管形狀發生了巨大變化，但邊緣的總長度以及內部的空氣量保持不變。

等周機器人是軟機器人（soft robots）、桁架機器人（truss robots）和群體機器人（collective robots）這三類機器人的派生物。軟機器人是輕量級、順應性強的機器人，桁架機器人具有可以改變形狀的幾何形態，而群體機器人則是可以協同工作的小型機器人，研究利用了三種機器人的優勢，並且繞過了每種機器人的缺點。

論文作者、機械工程助理教授 Sean Follmer 說：「我們基本上是在用傳統的電動機來操縱一個柔軟的結構。這是一類非常有趣的機器人，它結合了軟機器人的許多優點，以及我們關於經典機器人的所有知識。」

軟機器人的組成結構和工作原理

為了製作更複雜的機器人，研究人員將幾個三角形連接在一起，通過不同電動機之間的協調運轉，使機器人執行不同的動作。

論文共同作者、加州大學聖巴巴拉分校機械工程助理教授 Elliot Hawkes 表示：「我們開發的一項關鍵協議是，要使用大型、柔軟的氣動機器人來進行運動，實際上並不需要把空氣抽入和抽出。你可以使用機器人內部現有的空氣，並通過這些簡單的電動機來移動它；這種方法效率更高，也可以使我們的機器人運動得更快。」

從外太空到客廳

軟機器人領域的研究目前相對比較短，這意味著人們仍在為這些新發明尋找最佳的應用。它們的柔軟性可能會使其在家庭和工作場所發揮作用，而傳統的機器人可能會在這些地方造成傷害。軟機器人也很適合作為應對災難的工具。

論文另一位作者、史丹福大學機械工程專業的研究生 Zachary Hammond 說：「這種機器人可能對於太空探索非常有用，特別是因為它可以被裝在一個小包裹裡運輸，然後在充氣後不受束縛地運轉。在另一個星球上，它可以利用其變型能力穿過複雜的環境，擠過狹窄的空間，以跨越障礙。」

機器人抓球和拿球俯視圖

目前，研究人員正在為他們的軟機器人試驗不同的形狀，並考慮將其放入水中，看看它是否可以遊泳。他們還在探索更多擁有個性化特徵和優勢的新型軟機器人。

研究人員表示，這項研究凸顯了以新方式思考設計和建造機器人的力量。隨著這種系統的發展，機器人設計的創造力正在不斷擴大，這是我們在機器人領域真正希望鼓勵的事情。

論文標題：An untethered isoperimetric soft robot

DOI: 10.1126/scirobotics.aaz0492

參考資料：

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/su-sec031520.php

https://robotics.sciencemag.org/content/5/40/eaaz0492

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