“螺丝粉”机器人自主穿迷宫

在设障的迷宫中,它可以自主穿行;在松软的沙丘上,它照样行动自如……

它的外形像一根螺旋状的意大利面(Rotini,螺丝粉),但其实是一款新型智能软体机器人,由美国北卡罗来纳州立大学和宾夕法尼亚大学的研究团队共同研制。相关成果5月23日发表于美国《国家科学院院刊》。

“这根‘螺丝粉’由液晶弹性体材料制成,该材料在55摄氏度的热表面上会发生形变运动。”论文通讯作者、北卡罗来纳州立大学机械航空系副教授尹杰向《中国科学报》介绍,“因为它可以感知躯体位置并灵活移动,所以我们称其为软体机器人。”

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会转弯、会弹跳

这款螺丝粉状的软体机器人不仅会转弯,还会弹跳,由此成功完成“密室逃脱”。

论文第一作者赵耀在尹杰课题组从事博士后工作。他解释道:“我们这款软体机器人是利用自我转向与自我突跳这两种方式逃离迷宫的。”

当这根“螺丝粉”的一端碰到障碍时,它会围绕障碍物转变方向,从而实现自发越障;当中间部位遇到障碍物时,它会发生形状的突跳,从原来的向前弯曲(凸形)快速转变成向后弯曲(凹形),从而调转滚动方向实现自发避障。

自我突跳往往发生在自我转向出现困难时,赵耀称这是把积攒的变形能量迅速释放的过程。在这个过程中,这根“螺丝粉”会稍微跳离地面,并在落地前将自己重新定向。它还会多次尝试突跳,调整滚动位置与方向,最终自发找到逃离障碍的路径。

“遭遇障碍物时,转向和突跳这两种行为在软体机器人身上对应着一个渐变的区域。”赵耀说,“当接触点落到身体的中部区域时,软体机器人会发生突跳;当接触点稍微远离中部区域时,突跳难度增加;当接触点更加远离中部直到在两端1/5身长之内时,突跳会消失,取而代之的是自我转向。”

没有芯片程序控制

此前研究发现,圆柱状液晶弹性体制成的软体机器人,在一定温度下可以自发滚动,但在障碍物前会出现原地空转的现象。

“我们这款螺丝粉状的软体机器人在遭遇障碍物时的表现却大相径庭。”尹杰说,“不同于前人的研究,给软体机器人注入自我决策能力可以使其自主越过障碍物,逃离预设的迷宫。”

为什么之前的研究没能让软体机器人成功越障呢?

赵耀告诉《中国科学报》:“材料还是原来的材料,但我们改变了材料的形状。在尝试对其拉一拉、弯一弯、扭一扭后,我发现拉伸和弯曲并没有带来明显变化,适当扭曲之后则出现了很大的变化。”

将扭曲后呈螺丝状的软体机器人放置到超过55摄氏度的热表面上后,赵耀观察到其底部与热表面接触的部分开始收缩,但其他暴露在室温环境中的部位并不收缩。在这种不对称的变形作用下,软体机器人向前轻微地弯曲,从而驱动其自发向前滚动。

在尹杰看来,他们研制的软体机器人有点类似家庭扫地机器人,因为它可以移动一些重量不超过自重的物体。他还指出:“不同于基于大脑运算的生物智能,这是基于物理智能的软体机器人,没有芯片程序控制,而是利用来自环境的热量实现感知和运动。”

有望在太空行走

在实验中,这根“螺丝粉”可以从室外自然环境中吸收能量实现自发滚动,比如在车顶或烧烤架上自行爬行等。

“热表面温度越高,滚动速度就越快。”赵耀介绍,“我们研制的软体机器人自主运动的温度区间是55~200摄氏度。”

研究人员曾尝试将软体机器人放在烈日暴晒的地面上,但因为温度不够高,无法实现自主运动。哪里的地表温度可以达到55摄氏度以上?他们想到了沙漠。

一般机器人在沙漠行走比较困难,但赵耀发现,这款软体机器人可以在各种类似沙漠环境的松散沙地上行走,如履平地。这得益于其锯齿状的轮廓外形,可以通过嵌入沙地增加爬行抓力,从而在攀爬沙丘时有效避免打滑或深陷。不仅是沙地,它还成功穿过了凹凸不平的细石子路。

尹杰希望未来可以设计一款智能软体机器人,通过吸收环境中的热量作为能量源,从而自主穿越沙漠等复杂的环境,以采集地表信息,并应用于恶劣环境监测与救援等。

他还大开脑洞地展望:“如果液晶弹性体材料能适应更低的温度,并能集成微型传感器,我们有望制成能在太空行走的软体机器人。”

相关论文信息:

https://doi.org/10.1073/pnas.220026511

来源:《中国科学报》 (2022-05-26 第2版 国际)