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创造了新型柔软 不断增长的机器人

  想象一下救援人员在倒塌的建筑物的废墟中寻找人。他们没有用手挖掘碎片或者让狗嗅到生命迹象,而是带出一个小而气密的圆柱体。他们将设备放在碎片的入口处并翻转开关。从圆筒的一端,卷须延伸到大量的石头和泥土中,就像快速攀爬的藤蔓。卷须尖端的摄像头为救援人员提供了瓦砾下方无法到达的地方的视图。

  这只是斯坦福大学机械工程师创建的一种新型机器人的一种可能应用,详见6月19日的“ 科学机器人”一文。灵感来自于通过生长来覆盖距离的天然生物 - 例如葡萄藤,真菌和神经细胞 - 研究人员已经对其柔软,不断增长的机器人进行了概念验证,并通过了一些具有挑战性的测试。

  “从本质上讲,我们试图了解这种新方法的基本原理,以便从机制中获得移动性或移动性,”机械工程教授,该论文的高级作者Allison Okamura解释道。“这与动物或人们环游世界的方式非常不同。”

  为了研究他们的机器人可以做什么,该小组创建了原型,通过各种障碍物移动,朝着指定的目标前进,并成长为一个独立的结构。研究人员说,这种机器人可以用于各种各样的目的,特别是在搜救和医疗设备领域。

  这个机器人背后的基本思想很简单。它是一个内部折叠的柔软材料管,就像一个由里到外的袜子,当管子前端的材料外翻时,它会向一个方向生长,因为管子会从右侧向外倾斜。在原型中,材料是一种薄而便宜的塑料,当科学家将压缩空气泵入静止端时机器人体外翻。在其他版本中,流体可以代替加压空气。

  加州大学圣巴巴拉分校的访问助理教授,该论文的第一作者埃利奥特霍克斯解释说:“身体从末端延伸,但身体的其他部分不会移动,身体会变长。” “身体可以粘在环境中或卡在岩石之间,但这并不能阻止机器人,因为随着新材料的加入,尖端可以继续前进。”

  该小组测试了这种方法的好处,可以通过多种方式将机器人从一个地方带到另一个地方。它通过一个障碍路线生长,在那里它通过飞纸,粘胶和钉子以及冰墙传播,传递一个传感器,可以感知被困幸存者产生的二氧化碳。它成功地完成了这个过程,即使它被钉子刺破,因为被刺破的区域没有继续移动,因此,通过留在钉子顶部自我密封。

  在其他演示中,机器人举起一个100公斤的箱子,在距离直径10%的门缝下生长,并自行旋转形成一个独立的结构,然后发出无线电信号。机器人还通过吊顶上方的空间进行操纵,展示了它如何能够驾驶未知的障碍物,因为这样的机器人可能需要在墙壁,道路或管道内进行。此外,它还将电缆穿过其主体,同时在落下的天花板上方生长,提供了一种在狭小空间内布线的新方法。

  “我们关注的应用是那些机器人在困难环境中移动的应用,其中功能无法预测且存在未知空间,”冈村实验室研究生,该论文的共同作者Laura Blumenschein说。“如果你可以将机器人放在这些环境中,并且它在移动时不受障碍物的影响,你不必担心它会在探测时受到损坏或卡住。”

  这些机器人的一些迭代包括一个控制系统,该控制系统差异地使身体膨胀,这使得机器人向右或向左转。研究人员开发了一种软件系统,该系统基于从机器人尖端的摄像头进入的图像进行方向决策。

  软机器人的一个主要优点是它们比坚硬的刚性机器人更安全,不仅因为它们柔软,而且因为它们通常很轻。这在机器人可能与人近距离移动的情况下尤其有用。对于这种机器人来说,另一个好处是它具有灵活性并且可以遵循复杂的路径。然而,这也带来了一些挑战。

  冈村实验室的研究生,该论文的共同作者乔伊格里尔说,控制机器人需要一个精确的运动模型,这对于软机器人来说很难建立。相比之下,刚性机器人更容易建模和控制,但在许多需要灵活性或安全性的情况下无法使用。“此外,使用相机引导机器人到达目标是一个难题,因为相机图像需要按照它产生的速度进行处理。很多工作都用于设计快速运行并产生准确结果的算法足以控制软机器人,“格里尔说。

  现在,科学家们手工制造原型,并通过气动气压驱动。将来,研究人员希望创建一个可以自动生产的版本。未来的版本也可能使用液体生长,这可能有助于将水输送到被困在狭小空间中的人或在封闭的房间内扑灭火灾。他们还在探索新的,更坚韧的材料,如防撕裂尼龙和凯夫拉尔。

  研究人员还希望将机器人扩大得更大,更小,以了解它的表现。他们已经创造了一个1.8毫米的版本,并相信小型的机器人可以推进医疗程序。这种类型的软机器人可以在不拖动精致结构的情况下生长,代替穿过身体的管子。



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