挖洞機(jī)器人

很多人都愛(ài)玩打地鼠的游戲，這種動(dòng)物的挖洞能力極強(qiáng)。那么，機(jī)器人是否也能像地鼠一樣挖洞？

最新一期《科學(xué)·機(jī)器人》（Science Robotics）雜志封面論文，講的正是挖洞機(jī)器人，該研究由加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員共同完成。

據(jù)悉，該機(jī)器人重780g，主要包含杠桿體、氣流供應(yīng)管線和密封件，其身體壓力由高達(dá)150kPa的壓縮空氣或氮?dú)馓峁６蚯昂拖蛳碌臍饬鞴?，可分別提供高達(dá)30L和300L/min的壓縮氣體。

基于對(duì)動(dòng)植物在顆粒介質(zhì)中進(jìn)行挖掘的動(dòng)力學(xué)理解，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出了這款管狀機(jī)器人，它的頂部包含尖端延伸噴氣裝置，可通過(guò)控制地下的相互作用力，來(lái)實(shí)現(xiàn)高速穿透地面以及地下挖掘。

相比同類機(jī)器人，該機(jī)器人的拉力可增強(qiáng)數(shù)十倍，從而可實(shí)現(xiàn)快速水平移動(dòng)和垂直移動(dòng)。

正在美國(guó)西北大學(xué)讀書、2020年曾在同一期刊發(fā)表論文的袁航表示，這是一款可在顆粒介質(zhì)環(huán)境中完成快速可控三維挖掘的軟體機(jī)器人，該工作巧妙借鑒了自然界中相關(guān)植物與動(dòng)物、在地下顆粒介質(zhì)環(huán)境移動(dòng)時(shí)采取的策略。

章魚、植物尖端和沙漠蜥蜴，帶來(lái)三大設(shè)計(jì)靈感

在當(dāng)前挖掘作業(yè)中，人們普遍使用螺旋鉆機(jī)、液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)、隧道鉆機(jī)等，但這并不適用于小型機(jī)器人。后來(lái)，螺桿鉆機(jī)、往復(fù)式鉆機(jī)、錘擊機(jī)制等機(jī)器人挖掘方式逐漸被提出。

2018年，美國(guó)宇航局（NASA）發(fā)射“洞察”號(hào)火星無(wú)人著陸探測(cè)器時(shí)，一款名為“鼴鼠”的挖掘機(jī)器人與之隨行，其采用自錘擊的挖洞方式，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中該裝置能在12小時(shí)內(nèi)挖出5米深。

但由于火星土壤性質(zhì)原因，登上火星2年之久，“鼴鼠”也未能在火星成功挖洞。2021年1月，由于多次嘗試未果，NASA最終決定放棄“挖火星”，由此可見難度之大。

該團(tuán)隊(duì)也在論文中表示，陸地、空中和水中機(jī)器人的開發(fā)進(jìn)展非常順利，但地下機(jī)器人卻遇到了很多困難。

最大的困難之一是，在基本數(shù)據(jù)不足以讓人從物理角度獲悉物體如何在地下運(yùn)動(dòng)的情況下，人們很難開發(fā)出可控制地下復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)航系統(tǒng)。

本次論文的第一作者加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分?；艨怂箤?shí)驗(yàn)室的尼古拉斯·納克萊里奧表示，地面機(jī)器人在穿過(guò)物體時(shí)，受到空氣和水的阻力很小，但在地下運(yùn)動(dòng)就必須推開土壤、沙子或其他介質(zhì)。

更困難的是，沙土顆粒產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)超空氣或水產(chǎn)生的阻力，此外在地下還會(huì)遇到升力。這時(shí)，自然界的動(dòng)植物啟發(fā)了他們。

動(dòng)植物帶來(lái)的靈感

植物給予他們的靈感是：部分植物的尖端在地下生長(zhǎng)時(shí)可延伸成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而具備穿過(guò)沙土的能力，這也是植物根系在土壤中鉆孔的方法。

比如，尖端延伸可讓野生無(wú)花果樹的根延伸到120米、以及讓美國(guó)白楊樹的根覆蓋0.433km2。

該團(tuán)隊(duì)表示，植物尖端在地下生長(zhǎng)時(shí)，其生長(zhǎng)端的阻力較低。如果機(jī)器人身體能一邊長(zhǎng)大一邊移動(dòng)，就能讓更多身體部分進(jìn)入沙土，沙土表面的摩擦力也會(huì)隨之增加。

厘清這些原理后，研究人員以地下植物和地下動(dòng)物為靈感，成功研發(fā)出這款挖洞機(jī)器人，目前已實(shí)現(xiàn)在沙子中挖洞。

章魚在地下進(jìn)行活動(dòng)時(shí)，會(huì)先噴射一股水流以便松動(dòng)沙子，接著用觸手把身體拉入沙中。該方法的學(xué)名叫顆粒流化，指的是把顆粒轉(zhuǎn)成懸浮流體狀態(tài)，如此就能克服沙土中的高阻力。

章魚在海底快速移動(dòng)時(shí)，還可呼出空氣，而基于該原理研發(fā)的技術(shù)，可讓機(jī)器人在沙子中快速移動(dòng)的同時(shí)，還可向各個(gè)方向撒沙。

該團(tuán)隊(duì)表示，他們遇到的最大挑戰(zhàn)是，當(dāng)把機(jī)器人切換到水平方向開挖時(shí)，總是會(huì)浮出來(lái)“度過(guò)一段艱難的時(shí)光”。

這是因?yàn)樵趯?duì)稱物體的上下方，雖然氣體和液體可進(jìn)行均勻流動(dòng)，但流化沙的力量分布并不平衡，因此會(huì)給水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人帶來(lái)顯著的上升力。這導(dǎo)致機(jī)器人能推開沙子，但卻難以壓實(shí)沙子。

為探明原因，尼古拉斯等人讓機(jī)器人從水平方向推入沙子，這時(shí)其尖端實(shí)心棒附近會(huì)流入不同角度的氣流，對(duì)于這些氣流產(chǎn)生的升力和阻力，該團(tuán)隊(duì)做了測(cè)量。

沙漠蜥蜴

他們發(fā)現(xiàn)，相比牛頓流體中產(chǎn)生摩擦力，沙子等顆粒材料產(chǎn)生的摩擦力非常迥異。當(dāng)機(jī)器人在沙子中運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生的高摩擦力更高，這時(shí)處于運(yùn)動(dòng)方向的機(jī)器人會(huì)擠壓大片空間。

那么，解決辦法是什么？答案是沙漠蜥蜴。

沙漠蜥蜴有著楔形的頭部，這讓它在沙里挖洞時(shí)可以調(diào)節(jié)升力。以此為借鑒，該團(tuán)隊(duì)把機(jī)器人頭部設(shè)計(jì)成類似形狀，就能對(duì)其阻力進(jìn)行條件，從而保證機(jī)器人在沙子中維持水平移動(dòng)，以避免從沙子中浮出。

最近剛在《科學(xué)·機(jī)器人》發(fā)表過(guò)論文的美國(guó)波士頓大學(xué)工程學(xué)院博士生楊溢表示，沙子在靜態(tài)時(shí)具有固體性質(zhì)，但是在有氣流穿過(guò)其空隙、或者震動(dòng)的情況下會(huì)展現(xiàn)流體性質(zhì)。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)在沙子中注入氣流，使得機(jī)器人可以在沙子里輕易穿行。

概括來(lái)說(shuō)，作為設(shè)計(jì)挖洞機(jī)器人的“靈感繆斯”，植物尖端、章魚和沙漠蜥蜴這三樣自然動(dòng)植物功不可沒(méi)。

曾在《自然》發(fā)表過(guò)機(jī)器人相關(guān)封面論文的浙江大學(xué)航空航天學(xué)院交叉力學(xué)中心教授李鐵風(fēng)表示：“生物在應(yīng)對(duì)和改造外部環(huán)境上常有‘奇招’，將之應(yīng)用在在機(jī)器人系統(tǒng)中則有望實(shí)現(xiàn)優(yōu)異性能。該機(jī)器人由幾類生物挖掘鉆地的行為與結(jié)構(gòu)特征啟發(fā)，利用軟體材料與結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)沙地挖掘，在驅(qū)動(dòng)方法和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上都體現(xiàn)了創(chuàng)新，對(duì)探測(cè)與作業(yè)機(jī)器人的研究和應(yīng)用將起到推動(dòng)作用?！?/p>

不對(duì)稱氣流噴射設(shè)計(jì)

具體來(lái)說(shuō)，以植物尖端為靈感帶來(lái)的尖端延伸設(shè)計(jì)，可降低機(jī)器人的阻力，最終讓機(jī)器人能以每秒480厘米的速度，在沙中快速挖洞。

以章魚為靈感做出的局部顆粒流化設(shè)計(jì)，可讓機(jī)器人借助尖端噴射氣流的步驟，降低穿越干燥沙子的阻力。

以沙漠蜥蜴為靈感設(shè)計(jì)的機(jī)器人頭部，可在不對(duì)稱的向下氣流中，控制機(jī)器人遇到的升力。比如在噴射氣流角度下，當(dāng)增加氣流時(shí)沙子的升力會(huì)被降低。

正在康奈爾大學(xué)做博后研究、2021年初曾發(fā)表過(guò)《科學(xué)·機(jī)器人》封面論文的劉清坤表示，該機(jī)器人的最大亮點(diǎn)在于可進(jìn)行快速可控的掘地運(yùn)動(dòng)。

而在機(jī)器人“皮膚”的選材上，亦是可圈可點(diǎn)。

“皮膚”必須圓周強(qiáng)壯

在材料上，由于該機(jī)器人承受的相互作用力和內(nèi)部壓力，比以前的變形機(jī)器人要高，因此對(duì)“皮膚”材料的機(jī)械性能有著更嚴(yán)格的要求。

比如，“皮膚”必須圓周強(qiáng)壯，以便抵抗內(nèi)部壓力的高環(huán)應(yīng)力，為此該團(tuán)隊(duì)選用一種定制的雙層復(fù)合密封織物。

為了增加尖端延伸體的氣流，他們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)基于尖端的流動(dòng)裝置。為了改變尖端的流向，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)雙噴嘴系統(tǒng)，每個(gè)系統(tǒng)都有自己的供風(fēng)線。只需改變兩個(gè)噴嘴之間的流量，就可實(shí)現(xiàn)對(duì)流量方向的大致控制。

研究中，該團(tuán)隊(duì)在沙子上進(jìn)行了480cm/s的高速水平穴穴試驗(yàn)，以測(cè)量機(jī)器人的反作用力和速度結(jié)果顯示，機(jī)器人在0.08s內(nèi)可挖30cm深度的沙子。在自然界中，剃刀蛤可以挖1cm/s，沙魚蜥蜴可挖10cm/s，因此該機(jī)器人頗具優(yōu)勢(shì)。

在演示中，機(jī)器人成功地穿越了長(zhǎng)約8厘米、深度為60厘米的沙子，持續(xù)向下流速為140升/分鐘，速度為2cm/s。

正和NASA開展項(xiàng)目，將在月球等天體研發(fā)挖洞技術(shù)

在干燥的顆粒介質(zhì)中，該機(jī)器人已具備表層挖洞的能力。在地球上的潛在應(yīng)用包括土壤取樣、沒(méi)有溝槽的微創(chuàng)灌溉、電線或地?zé)峄芈钒惭b、侵蝕控制、搜救和糧倉(cāng)檢查。

另?yè)?jù)悉，它還能控制尖端延伸方向，也能調(diào)節(jié)在沙子中的的牢固程度，故此可用于低重力環(huán)境中的應(yīng)用探索。

或許NASA已經(jīng)意識(shí)到了自身不足，其目前已和該團(tuán)隊(duì)達(dá)成合作，未來(lái)將在月球、以及木星、衛(wèi)星、土衛(wèi)二等天體上拓展機(jī)器人的挖洞能力，實(shí)際應(yīng)用包括火星上的熱傳感器放置、月球上的火山隧道探索、小行星取樣或錨定，以及土星衛(wèi)星土衛(wèi)二上的粒狀冰探索。

劉清坤也表示，可以預(yù)見這種掘地機(jī)器人未來(lái)在地下搜索和救援、以及在其他星球上土壤采樣等領(lǐng)域有重要應(yīng)用 。

楊溢表示，這期的《科學(xué)·機(jī)器人》主要關(guān)注在極端環(huán)境下工作的機(jī)器人，封面的軟體機(jī)器人算是一種仿生機(jī)器人。

他認(rèn)為，雖然它的驅(qū)動(dòng)方式依然是常見的氣壓驅(qū)動(dòng)，但是它巧妙使用了氣動(dòng)力，不僅對(duì)自身結(jié)構(gòu)進(jìn)行延伸以達(dá)到移動(dòng)目的，還依靠氣動(dòng)來(lái)吹動(dòng)周圍介質(zhì)來(lái)極大減小前進(jìn)阻力。

談及該論文登上封面的原因，楊溢分析稱，傳統(tǒng)機(jī)器人研究都是機(jī)械工程結(jié)合電子工程，多發(fā)表在電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）旗下的會(huì)議和期刊?！犊茖W(xué)·機(jī)器人》是一個(gè)比較新的期刊，也就只有幾歲，上面的很多論文都是新興研究。有時(shí)新興研究距離實(shí)際應(yīng)用較遠(yuǎn)，但是具備潛在的廣度或深度。