斯坦福最新發明!仿章魚機器人可任意變形

2020-12-03 智東西

智東西3月19日消息，史丹福大學的機器人團隊新近發明了一款軟體機器人，可以任意改變形狀，據稱設計人員是從章魚身上得到了靈感。機器人由柔軟織物材質的管道和滾筒模塊組合而成，管道裡充滿空氣。使用者只需操控配套的小型發動機，就可讓機器人改變形狀。

史丹福大學機械工程專業研究生內森·烏瑟維奇（Nathan Usevitch）是這個項目的參與者之一，他將這款機器人描述為「電影《超能陸戰隊6（Big Hero6）》中的角色大白（Baymax）和變形金剛（Transformers）的混合體」。

這項研究已於本周三發布在《科學機器人學（Science Robotics）》上，論文題目是《一種無繩系等周柔性機器人（An untethered isoperimetric soft robot）》。

論文連結：https://robotics.sciencemag.org/content/robotics/5/40/eaaz0492.full.pdf

一、機器人設計新思路：淘汰繫繩、簡易組裝

考慮到工程作業的環境條件，機器人必須具有足夠的安全性和環境適應性。除了結實耐用，還要能夠靈活移動。要滿足這些條件，不僅要有配備精準的控制算法和強大的傳感器，還需要適應性更好的結構與之相配，而現有的機器人尚不能滿足這些要求。

目前市面上主要有軟式、集體式和桁架式三種機器人。軟式機器人安全性高，較為堅固，但需要用繫繩與空氣壓縮設備相連。集體式機器人模塊化程度高，但子單元過於複雜。桁架式機器人可以變形，但只能在固定方向線性伸縮。

在論文中，研究人員稱其發明的「無繩系等周柔性機器人（An untethered isoperimetric soft robot）」綜合了三種機器人的優點，擺脫了結構限制。

這款機器人主要由織物管和3個滾筒模塊組成，滾筒模塊包含機械滾筒和小型發動機兩個部分。滾筒模塊安裝於織物管上，其中一個將織物管首尾相接，另外兩個可在管道上移動，與織物管一起組成三角形。

使用時利用滾筒夾緊織物管，使其維持固定的形狀。一旦需要機器人變形，則可利用小型發動機驅動滾筒移位，給織物管重新「塑形」。在滾筒移動過程中，機器人形狀改變，但織物管的長度及其內部空氣量保持不變。也有研究人員因此稱其為「等周機器人」。

對於這款機器人的獨特結構，史丹福大學航空航天助理教授麥克·史瓦格（Mac Schwager）評價到：「讓我感到興奮的是，這款機器人實際上是由幾個機器滾軸組成的集合體，他們通過協同運作來移動機器人和改變形狀。這使其成為了一個適應性強而堅固的系統。」

二、移動靈活，能撿球，還能變身「形狀顯示器」

研究人員曾將幾個機器人組合在一起，用發動機驅動其移動，最終成功操縱機器人撿起了一個球。此外，機器人還可以推動球向前滾動。這就說明此種機器人可以接近物體、撿起物體，再將其移動至特定位置。而這些操作對於夾鉗機器人來說則很難完成，這也意味著軟體機器人未來將有更多可能的應用場景。

1、太空旅行好幫手

研究人員認為這種機器人擁有易於收納的外形，使用起來還很靈活，十分適合用於太空旅行。史丹福大學機械工程專業的研究生扎卡裡·哈蒙德（Zachary Hammond）認為，「在另一個星球上，它可以利用其變形能力穿過複雜的環境，擠過狹小的空間，跨越障礙物。」

在論文中研究者寫到：「在太空漫遊任務中，可以在發射前排空機器人氣體，著陸後再充氣，使其完成任務，這樣就不必擔心能源問題了。另外機器人的柔軟特性也使其更加強健，適用於複雜地形，也可用於執行情況未知的任務。」

2、與工人協同工作

這種機器人同樣適合工業使用。例如當工人用螺栓裝配零件時，可利用機器人來固定零件。

3、教學交互小工具

將機器人改造為教育工具也未嘗不可。可鼓勵學生自主組裝硬體，與機器人進行身體互動。

4、其他方面

論文中提到，如果增加更多的滾筒模塊，就可將機器人改裝為「形狀顯示器」，在改變形狀時做到更為動態流暢，甚至成為高刷新率的3D印表機。

如果將觸摸感應應用到機器人中，用戶就可與顯示的形狀即時交互。

甚至可以應用同一組硬體完成用戶的不同需求。當需要疏通管道時，就組裝一個鏈式機器人，如果想要機器人快速移動，就將其組裝為球型。

結語：柔性機器人集合以往產品優勢，前景樂觀

以往的機器人各有優點，但均無法獨立勝任工程作業任務，而斯坦福團隊發明的「無繩系等周柔性機器人」則為這一問題提出了解決方案。通過對目前的軟式、集體式、桁架式機器人分別揚長避短，新型機器人無疑可以承擔起工程任務。除工程應用以外，新型機器人也在航空、教育、3D列印等方面顯示出了應用可能，應用前景十分值得期待。

文章來源：TechRepublic，Science Robotics

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