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        仿生軟體機器人又出新花樣:鰻魚的外表和彈簧一樣的身體

        2021-08-03 09:28:48
        海外星云 2021年4期
        關(guān)鍵詞:硅氧烷鰻魚軟體

        近日,巴塞羅那科技大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種基于骨骼肌的生物混合型軟體機器人。在爆發(fā)模式下,該饑器人一秒鐘就能游出自己3倍身長的距離。

        該研究團隊在發(fā)表于Science子刊science Robotics上的論文中,描述了他們開發(fā)和測試軟機器人的過程。

        鰻魚的外表和彈簧一樣的身體

        為了不斷提高軟體機器人的性能,科學(xué)家們開始將目光投射到動物組織一類的“天然材料”。其中,骨骼肌和心臟肌肉的利用頗受歡迎。

        不過,骨骼肌和心臟肌肉各有利弊。通常情況下,基于骨骼肌的軟體機器人靈活度較低、力度較弱。而此次西班牙研究人員通過特特殊設(shè)計克服了這兩個問題,讓他們的仿生軟體機器人具有更高的靈活性和可變形性,并對環(huán)境具有更高的適應(yīng)性,從而使本次軟體機器人在水中能比同類機器人游得更快。

        研究人員以鰻魚為原型,為機器人設(shè)計出一個蛇形彈簧骨架,并不斷優(yōu)化它的形狀以達到更為仿真的效果。優(yōu)化后,研究人員采用了一種叫做聚二甲基硅氧烷(PDMS)的有機硅物料,通過3D打印將這一骨骼框架制作了出來。

        據(jù)悉,該機器人身長約260微米,在受到電刺激時可進行移動,其中電荷會使肌肉收縮,從而壓縮內(nèi)部的骨骼彈簧。

        蛇形仿生機軟體機器人

        通過放電刺激,機器人的骨骼肌會收縮,從而可壓縮內(nèi)部骨骼彈簧,在接觸電荷刺激后,彈簧中的能量被釋放,如此便可推動機器人前進。

        這個過程就像人們手動壓縮彈簧再釋放一樣,只不過將動力源從人手換成了電流,這種設(shè)計使得機器人只能在一個方向上移動。

        此外,據(jù)研究人員介紹,該仿生機器人具有兩種運動模式:滑行和爆發(fā)。

        通過模擬在溪流中緩慢游行的小魚,機器人可以開啟滑行模式。而在爆發(fā)模式下,軟體機器人可迅速從靜止狀態(tài)切換到快速運動狀態(tài),并能達到每秒800微米的速度,該速度比其他基于骨骼肌制作的仿生機器人要快得多。

        研究員表示,目前只有基于心臟肌肌肉的仿生機器人才可比擬這種速度。他們認為這一設(shè)計可以為其他新型混合動力的機器人帶來更高強度的輸出,使得機器人在水中有更快速的移動能力,亦或在工作中有更強大的表現(xiàn)力。

        從水母到鰻魚:機器人“無所不仿”

        幾千年以來,生物系統(tǒng)在不斷發(fā)展著其復(fù)雜的自組織機制,以此來達到感知和自我修復(fù)的目的。近年來,機器人專家們開始從生物的行為中汲取靈感,不斷模仿它們的復(fù)雜行為。

        材料的不斷發(fā)展,使得人們可通過仿造一些簡單的生物去制備機器人。這些模擬簡單生物的機器人能完成爬行、抓握等動作。但是,合成材料制成的仿生機器人仍無法完美復(fù)刻精巧絕倫的生物體構(gòu)造,以及具有等級結(jié)構(gòu)的肌肉組織為生物帶來的高強度的輸出能力。

        此時,“天然材料”登場,科學(xué)家們同時開始混搭人造材料,發(fā)揮人造和天然的各自優(yōu)勢,開啟了混合材料的仿生機器人制造。

        近年來,聚二甲基硅氧烷(PDMS)也被用于骨骼肌仿生機器人的結(jié)構(gòu)制作中,尤其是在模仿一些水生動物時。這種材料無毒、不易燃、透明,具有結(jié)構(gòu)高彈性(structuralflexibility)和疏水性(hydrophobic),是一種惰性物質(zhì)。聚二甲基硅氧烷制作程序便捷,成本低廉,在隱形眼鏡、潤滑劑中都有應(yīng)用。

        早在2013年,美國科學(xué)家就研發(fā)出了一款名為“Cyro”的水母機器人。Cyro是美國海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項計劃的研究成果。這項計劃共投入500萬美元,旨在開發(fā)機器人執(zhí)行水下監(jiān)視和海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)。

        “Cyro”的名字來源于霞水母“Cyaneacapillata”,它由厚硅樹脂材料制成,摸起來會有黏糊糊的觸感,體積只有人類的一個手掌大,約77公斤重,由一塊可充電的鎳氫電池提供動力。它能獨立地在水中游動,并對敏感數(shù)據(jù)進行收集、存儲和分析。據(jù)當時媒體報道,“Cyro”若被軍方用作水下間諜,其能力會讓007也自嘆不如。

        Cyro的“大腦”是位于其中部的一個控制盒,研究人員表示之后還會在它身上安裝攝影機和其他監(jiān)測設(shè)備。

        此項研究的參與人之一、弗吉尼亞理工大學(xué)的機械工程系博士生亞歷克斯一維拉努瓦博士表示,工作人員可以事先對Cyro進行編程,這樣它就可以在水中按照預(yù)先設(shè)定的程序來執(zhí)行任務(wù)。

        維拉努瓦博士說道:“水母的一個巨大優(yōu)勢就是欺騙性,它們是一種你不會感到威脅的動物。如果我看到一個機器鯊魚和一個機器水母,我一定更提防機器鯊魚,而不是機器水母?!保ㄕ躁P(guān)《深科技》)(編輯/費勒萌)

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