它的動作就像一個快速生長的爬藤
據(jù)外媒“每日科學(xué)”官網(wǎng)日前報道，斯坦福大學(xué)的機械工程師們開發(fā)出一種全新的仿藤機器人，能夠在不移動整個身體的情況下，長距離生長，并能蛇形蜿蜒。研究者已證明，它在災(zāi)難搜救和醫(yī)療中將是大有作為的。該項目由美國國家科學(xué)基金會資助，相應(yīng)研究論文已發(fā)表于《科學(xué)機器人》雜志上。
設(shè)想一下，在雜亂無章的倒塌建筑中，救援人員在急切地搜尋遇難人群。但是，他們既沒有徒手去挖碎片，也沒有放出搜救犬去嗅生命跡象在哪兒，而是首先拿出一個小的密封氣缸，將設(shè)備放在災(zāi)難現(xiàn)場的縫隙入口處，然后旋轉(zhuǎn)開關(guān)，機器人的“生長”開始了！
只見，它從氣缸的一端冒出頭，接著像卷曲的蛇一樣，軟軟地、緩緩地延伸，進入石頭、草叢和泥土混雜的地下空間。它的動作就像快速生長的爬藤一樣，卷須的頂端安裝有微型攝像頭，能夠讓救援人員看到瓦礫下面，無法抵達的地方是什么樣的狀況。
對新型軟體機器人來說，這僅僅是一種可能的應(yīng)用。研發(fā)人員在論文中表示，之所以研發(fā)它，是受到自然的啟示。生物具有生長的特性，無論是藤蔓、真菌還是人腦內(nèi)的神經(jīng)細胞，都能通過軟性延展來覆蓋距離，那么仿生裝置應(yīng)該也可以。因此，他們提出了“會生長的軟體機器人”這一概念，并設(shè)計了一些具有挑戰(zhàn)性的實驗進行了驗證。
機械工程學(xué)教授埃里森·岡村是該論文的資深作者，他解釋說，“我們試圖從根本上弄清楚軟體機械移動或生長的機制原理，它的方式與世界上所有的動物或人類都完全不同”。為了知道機器人能做什么，研究小組甚至制作出復(fù)雜的迷宮模型，讓機器人穿越各種障礙，朝著預(yù)設(shè)目標(biāo)前進，并成長為一個獨立結(jié)構(gòu)。
它不需要機械整體運動，而只需要尖端運動
這個新機器人背后的設(shè)計思想顯而易見，并不復(fù)雜。首先是有一管的軟材料折疊在氣缸內(nèi)部，就像一團有序蜷曲著的襪子一樣。機器人在頂端攝像頭的控制下，總朝著一個方向生長，比如軟材料位于充氣嘴的前端，軟體機器人的管子始終朝著右側(cè)延展生長。
實驗室中的原始版機器人采用薄而廉價的塑料制成，當(dāng)研究人員通過固定端壓入空氣時，機器人呈外翻生長的姿態(tài)，而在后來的新版本中，任何流體也許都能代替壓縮空氣，從而讓軟體機器人具有不同性能。這種設(shè)計非常有用的一個特點就是，它不需要機械整體運動，而只需要尖端運動，節(jié)省了時間和能量。
來自加利福尼亞大學(xué)的客座助理教授埃利奧特·霍克斯也是論文的主要作者之一，他指出，機器人的身體從末端開始延伸，在“生長”過程中，身體會附著在草叢中，或被巖石卡住，但這并不能阻止其行動，因為末端還在不斷長出新“肢體”。
測試機器人性能的方法也很簡單，即讓機器人從一個地方穿越障礙到另一個地方。研究人員設(shè)計了混合捕蠅紙、粘膠水、釘子和冰凍墻面的通道，而機器人成功越過了所有阻礙，并在傳感器幫助下，通過感知二氧化碳的方式尋找到了被困幸存者模型。整個過程中，雖然機器人的軀干被釘子刺破，但由于被刺破的區(qū)域沒有繼續(xù)移動，釘子堵住了氣孔，機器人的氣腔保持正常。
在另一些極端情況下，機器人“舉起”了100公斤的木箱，從只有軀干截面面積10%的門隙中穿越而過，并且還進入了天花板頂上、墻內(nèi)管道等地方，甚至為人們提供了一種在狹小空間布置路由線的新方法。
它們比純機械機器人更安全
研究者指出，人們應(yīng)該關(guān)注的是，軟體機器人能夠移動進入一個不可預(yù)知的困境中，它的行動不受障礙物的影響，人們不必擔(dān)心它在探索時被破壞或卡死。原始版之后，新開發(fā)的機器人版本還囊括了一個控制系統(tǒng)，能夠讓機器人膨脹，使生長方向朝左或右，并將末端攝像機拍下的圖像傳到外界。
這種機器人的主要優(yōu)點在于，它們比純機械機器人更安全。這不僅是因為它們?nèi)彳?，還因為它們往往極輕，便于延展靠近人體。而且，它行動靈活，可以在復(fù)雜路徑中前行。當(dāng)然，這得歸功于科學(xué)家們制作出的精確運動模型。一般來說，純機械機器人更易于建模和控制，但為了讓軟體機器人也達到同樣的行動效果，就需要進行大量試驗，獲得足夠精確的數(shù)據(jù)，編寫新的控制算法，讓機器人末端的攝像機能夠以超高速率處理運動指令，引導(dǎo)機器人的“生長”方向，完成任務(wù)。
如前所述，科學(xué)家們手工制造的原型是通過氣壓驅(qū)動，未來希望制造出液體驅(qū)動的版本。一旦軟體機器人內(nèi)腔能夠輸入水或其它液體，那么就能向狹小空間或封閉空間內(nèi)的人輸送這些東西，甚至還能幫忙進行滅火。因此研究者也在試驗用耐撕尼龍或芳綸等材料制作軟體機器人的外殼。
研究者也想看到不同尺寸的軟體機器人會如何工作，因此他們還造出了一個僅有1.8毫米直徑的機器人版本。未來，他們希望小微型軟體機器人能推進醫(yī)療進步，比如進入患者身體，在不影響其它器官組織的情況下“生長”，完成檢查任務(wù)等等。
