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        未來的柔性機(jī)器人

        2020-08-11 07:34:13徐寧
        華聲 2020年7期
        關(guān)鍵詞:外骨骼充氣面團(tuán)

        徐寧

        機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了那么多年,為什么在我們的生活和工作中還是很少見到它們?原因是今天的許多機(jī)器人只適合用于重復(fù)度高、精度要求高的領(lǐng)域,比如汽車裝配。

        但真實(shí)世界不是“裝配線”,而是不斷變化著的。機(jī)器人在精度和速度上的優(yōu)勢并不能讓它們很好地適應(yīng)真實(shí)世界。比如用機(jī)器人通過捏芒果來判斷成熟度,就算用當(dāng)今汽車制造業(yè)頂級的機(jī)器臂(平均動(dòng)作誤差小于0.02毫米)來捏100個(gè)芒果,其中肯定有許多被捏破的。

        面對這樣的難題,科學(xué)家和工程師開始用另一種思路來設(shè)計(jì)機(jī)器人。首先,它們應(yīng)該更善于完成條件多變的任務(wù);其次,應(yīng)該是柔軟的,這樣才不會傷害人類;最后,生產(chǎn)成本不能太高,不易被損壞。因此,越來越多柔性機(jī)器人開始加入機(jī)器人的行列。

        提起面團(tuán)的“軟手”

        如伺讓機(jī)械手抓起柔軟的面團(tuán)曾經(jīng)難倒過許多工程師。食品工廠流水線的傳統(tǒng)夾具往往使用吸盤抓取柔軟物體,但比薩餅面團(tuán)是發(fā)酵面團(tuán),太過柔軟,吸盤內(nèi)的負(fù)壓很容易讓面團(tuán)變形。

        2016年,英國某比薩餅生產(chǎn)企業(yè)第一次讓機(jī)器夾具拿起了柔軟的面團(tuán)。新型夾具的“手指”表面覆蓋了充氣聚合物材料,注入空氣后快速膨脹的表面能抓住柔軟物體,抽出夾具內(nèi)部的空氣后,夾具就能完成丟棄動(dòng)作??梢宰冃蔚摹笆种浮弊屵@種機(jī)械手能抓住雞蛋、生肉、鋼筆、蛋糕等物體。即便物體的尺寸不完全相同,夾具也能應(yīng)對自如:當(dāng)系統(tǒng)識別到不同尺寸的面團(tuán),充氣“手指”中會泵入更多空氣,夾具間空間變小,就能拿起更小的面團(tuán)。

        柔軟夾具的好處是工廠不需要對每種產(chǎn)品分別編寫程序,柔軟的表面賦予了夾具與產(chǎn)品更大的接觸面積,讓夾具不用再去精確控制速度、角度和力度,大大降低了所需的傳感器數(shù)量。機(jī)械手平均每分鐘能抓起并放下133個(gè)小番茄,已經(jīng)超過了人類熟練工每分鐘100個(gè)的平均速度。充氣軟質(zhì)夾具很好地解決了抓取柔軟物體而不造成破壞的難題。

        柔軟外骨骼——“外套”

        雖然剛性外骨骼能幫助殘疾人重新行走,但它們很昂貴,用起來也不方便。因此,科學(xué)家試圖開發(fā)更小、更輕的外骨骼。

        彈性聚合物人造肌肉、微型柔性傳感器、液態(tài)金屬和記憶合金材料等領(lǐng)域的突破讓外骨骼能由硬變軟。一種柔性外骨骼也叫“外套”,最初被研發(fā)的目的是為了減輕士兵野外行軍時(shí)的負(fù)重。它又軟又輕,不會約束穿戴者的運(yùn)動(dòng),也可以穿在衣服下面,不引人注目,價(jià)格也比硬質(zhì)外骨骼更低。

        “外套”很柔軟,雖然無法讓癱瘓病人站立行走,但卻能有效幫助中風(fēng)患者克服腦損傷帶來的行走不便,減少久坐帶來的風(fēng)險(xiǎn)。最新型外骨骼甚至不需要人造肌肉,僅靠記憶聚合物薄膜和記憶合金纖維就能實(shí)現(xiàn)外骨骼的支撐功能,未來中風(fēng)患者只需要穿上由這種織物制成的褲子就能正常行走。

        進(jìn)入身體的柔軟機(jī)器

        外形酷似章魚的機(jī)器人“Octobot”是全世界首個(gè)完全自動(dòng)化的軟體機(jī)器人。它的主體由硅膠材料經(jīng)3D打印而成,透過透明硅膠能夠看見內(nèi)部的紅藍(lán)線纜。章魚機(jī)器人沒有外接線纜,也沒有電池。鉑催化劑讓機(jī)器人內(nèi)部的過氧化氫快速分解為水和氧氣。氧氣通過柔性閥門讓八條臂有序運(yùn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)游泳動(dòng)作。

        機(jī)器章魚向人們展示了未來醫(yī)療微機(jī)器人的可能形態(tài):不需要外接電纜、沒有硬質(zhì)結(jié)構(gòu)、可以實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的動(dòng)作。如果使用生物可降解材料,柔性醫(yī)療微機(jī)器人進(jìn)入病人身體完成任務(wù)后,便會自然降解成無毒害物質(zhì)??赏淌车娜嵝詸C(jī)器人能到達(dá)病灶部位精準(zhǔn)送藥,也能在人體內(nèi)收集信息,還能進(jìn)行無創(chuàng)手術(shù)。

        英國謝菲爾德實(shí)驗(yàn)室正在研發(fā)一種心臟輔助裝置,這是一種具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的軟體機(jī)器,能夠包裹在心臟周圍,輔助心臟收縮,提高泵血能力,最重要的是它不會傷害心臟。構(gòu)成機(jī)器的泡沫橡膠內(nèi)部有大量微孔,向其中注入流體能改變其剛性和形狀,從而向心臟提供額外壓力。通過剪裁,裝置能夠避開心臟主動(dòng)脈區(qū)域,不會影響心血管正常功能。

        能不斷“生長”的救援機(jī)器人

        有些柔性機(jī)器人能在尖端位置不斷生長,就像葡萄藤一樣。斯坦福大學(xué)的研究人員在實(shí)驗(yàn)室的屋頂進(jìn)行了一次實(shí)驗(yàn):他們讓一臺救援用柔性機(jī)器人從吊頂進(jìn)入黑暗的天花板。只見這個(gè)機(jī)器人從頭部位置不斷冒出新的軀體,像一條無窮無盡的長蛇。在攝像頭的幫助下,機(jī)器人躲開了天花板內(nèi)的電線等障礙物,最終抵達(dá)了研究人員預(yù)設(shè)的目的地,那里有一只燃燒中的蠟燭。由于這臺機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模仿了藤蔓,研究人員將它命名為“藤”。

        “藤”并不是真的在生長。其空腔內(nèi)折疊好的柔性材料從機(jī)器人正前方的頭部向外翻出,并在壓縮空氣的作用下充氣膨脹;位于其頭部的驅(qū)動(dòng)器能改變延伸方向,二氧化碳傳感器能幫助它自動(dòng)向有二氧化碳的方向移動(dòng)。科學(xué)家希望“藤”能夠在災(zāi)害救援中發(fā)揮重要作用,而它也確實(shí)展現(xiàn)出某些驚人的特性:完全充氣后的“藤”能撐起100千克重的箱子;它的頭部直徑很小,能穿過直徑只有軀體截面直徑1/10的小孔,并且不妨礙它穿過后繼續(xù)膨脹。在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中,膠水、釘子和低溫都沒能阻止“藤”的前進(jìn)步伐。萬一“藤”的塑料膜被刺破了怎么辦?“藤”被刺破的部分會在內(nèi)部高壓下自行密封,此時(shí)塑料膜會緊緊包裹住尖銳物體,防止內(nèi)部氣體泄露。

        近年來,驅(qū)動(dòng)、感知、模具成型和控制技術(shù)的進(jìn)步,讓越來越多的柔性機(jī)器人成為現(xiàn)實(shí)。它們不僅能擠壓、拉扯、攀爬、成長、變形,有些還能自我進(jìn)化、自愈、自然降解。柔性革命不僅讓機(jī)器人變軟,還讓機(jī)器人變得更廉價(jià)、更智能、更安全。

        摘編自《大自然探索》

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