章魚觸手可以向多個(gè)方向移動(dòng)，但也會形成堅(jiān)硬的關(guān)節(jié)狀結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更精確的運(yùn)動(dòng)。毛毛蟲可以通過使用蛔蟲運(yùn)動(dòng)來旅行，也可以卷起并推動(dòng)自己遠(yuǎn)離捕食者。這種能力使生物能夠在自然的、非結(jié)構(gòu)化的世界中茁壯成長。然而，創(chuàng)造具有這種運(yùn)動(dòng)流暢性的機(jī)器人一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。

但是，通過使用拉伸干擾——即一束小纖維之間的真空誘導(dǎo)相互作用——機(jī)器人專家開發(fā)了軟機(jī)器人，這些機(jī)器人足夠靈巧，可以處理魔方并將瓶蓋從罐子上擰下來。由耶魯大學(xué)機(jī)械工程與材料科學(xué)副教授 Rebecca Kramer-Bottiglio 領(lǐng)導(dǎo)的研究人員于今天發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》上。

耶魯大學(xué)研究人員的機(jī)器人的關(guān)鍵在于他們的致動(dòng)器——將能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械功的裝置——與可以快速變硬的纖維相結(jié)合。“與使用多個(gè)執(zhí)行器的機(jī)器人系統(tǒng)相反，機(jī)器人系統(tǒng)根據(jù)所需的身體配置和行為激活這些執(zhí)行器的一個(gè)子集，我們開發(fā)了一種反向方法，其中單個(gè)執(zhí)行器可以通過在執(zhí)行器表面圖案化和控制材料特性來獲得許多軌跡，”克萊默-博蒂格里奧說。

典型的氣動(dòng)軟執(zhí)行器包含固定模式的較硬材料，因此執(zhí)行器在充氣時(shí)僅沿一個(gè)預(yù)編程的方向移動(dòng)。“但是通過光纖干擾，我們可以將這些剛度調(diào)整光纖放在致動(dòng)器周圍，這樣你就可以改變哪個(gè)部分是僵硬的，”Kramer-Bottiglio 實(shí)驗(yàn)室的研究生、該研究的主要作者 Bil?ige Yang 說。當(dāng)纖維被真空力卡住時(shí)，會在機(jī)器人的不同側(cè)面提供更高的剛度。

“通過有選擇地改變圓柱形致動(dòng)器周圍的剛度，它基本上能夠向你想要的任何方向移動(dòng)，這模擬了生物系統(tǒng)能夠做的事情，”楊說。“這使我們朝著模仿大自然的能力邁進(jìn)了一步。”

傳統(tǒng)的機(jī)器人抓取裝置的運(yùn)動(dòng)范圍有限。然而，拉伸纖維系統(tǒng)為機(jī)器人專家提供了足夠的控制，可以制造出類似于人手的靈巧抓取裝置。該設(shè)備的每個(gè)機(jī)械手指都有自己的一組纖維，這為其提供了多種類型的運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)卡住的纖維，機(jī)器人手指展示了三種不同的抓握模式：用于拾取相對較小物體的“捏抓”、用于鎖定凹形物體內(nèi)部的“向外鉤”運(yùn)動(dòng)以及扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。分別使用三種抓握模式，抓手能夠拿起一個(gè)魔方，舉起一個(gè)碗，然后從罐子上擰下蓋子。

使用拉伸干擾光纖，剛度模式可以在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化。這種敏捷性為研究人員的下一個(gè)目標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，即使用該系統(tǒng)制作變形板并動(dòng)態(tài)控制機(jī)器人表面曲率。