移動時會變形的軟體機器人

救援隊抵達坍塌礦井現場,向下數百米鑽了一個通往小型洞穴的鑽孔。他們將一個圓柱形、配備攝像頭的金屬機器人放入孔中,機器人將下降並搜尋倖存者。當機器人向下爬行時,地面發生位移,鑽孔坍塌至原來直徑的一半,壓碎了機器人。現在怎麼辦?如果機器人是用可變形聚合物製成的,它就可以像蠕蟲一樣簡單地拉長和縮小形狀,並繼續執行任務。

這種“軟體”機器人目前僅存在於實驗室中,但材料科學、控制理論、儲能和柔性電子技術的進步可能會改變這種情況。柔性自動化裝置可能很快就能在礦山、工廠以及人體內部執行高難度任務。

在製造軟體機器人方面,工程師們正在模仿章魚、蠕蟲和其他無脊椎動物的運動方式。既然氣動聚合物觸手可以更便宜、更高效地完成工作,為什麼還要花費時間和金錢使用致動器、電纜和電機來複制人手呢?在一次嘗試中,康奈爾大學的研究人員用一個裝滿空氣和咖啡渣的小球製造了一個“通用夾爪”。當夾爪與物體接觸時,它會貼合物體的形狀。透過抽出球內的空氣,研究人員使球慢慢變硬,從而輕柔地抓住物體。或者,類似的機器人可以用柔軟的聚合物製成,這些聚合物會響應電流而膨脹、收縮和彎曲。


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傳統的、受脊椎動物啟發的機器人可能比其柔性 counterparts 更快更強,但由氣壓或電流驅動的軟體機器人可能更有效地操縱各種物品,並且更適應在不同的環境中移動。它們的橡膠成分也可能使它們更可能在工廠車間傾倒或踩踏後倖存下來。

哈佛大學懷特塞德斯研究小組的研究人員製造了各種形狀可變的聚合物機器人,包括一種一米長的四足機器人,它看起來像一對在莖部連線的 Y 字形。空氣被泵入機器人氣動通道層中的閥門,使該生物膨脹、彎曲並移動各種腿部以向前移動。該機器人配備了自己的電池和空氣壓縮機,已經在實驗室地板上、雪地裡甚至在熱烤架上起伏和爬行。2011 年,研究人員製造了一個小得多的、繫繩版本,它可以擠過幾釐米高的空間。“如果可以無束縛地操作它們,機會範圍會更大,而且我們已經跨越了這條關鍵線,”哈佛大學著名化學家和材料科學家 George M. Whitesides 說。科學家們還在透過更有效地透過內部通道傳輸壓縮空氣來提高機器人的速度,而不是讓機器人的某些部分“以無生產力的方式膨脹”,Whitesides 指出。

受這一進展的鼓舞,投資者正在進行技術許可,並最近成立了一家名為 Soft Robotics 的初創公司,以設計生物醫學裝置。例如,彈性體機器人可以透過輕柔地抓取組織或錨定到血管壁而不會損壞它們,從而幫助醫生進行活組織檢查或血管成形術。

根據《軟體機器人》雜誌的首刊,在未來十年內,商業產品可能會以可穿戴支援裝置的形式首次亮相——人造肌肉,為運動障礙人士或在倉庫等場所從事重物搬運工作的人員提供身體幫助。美國國防高階研究計劃局 (DARPA) 也有興趣資助用於偵察任務和作為假肢的軟體機器人的開發,作為該機構“最大程度的移動性和操縱性”計劃的一部分。

然而,軟體機器人的成功仍然取決於許多技術的進步。北卡羅來納州立大學的研究人員正在從材料角度入手,開發一種水基水凝膠,該水凝膠可以被圖案化、摺疊並用於操縱物體。水凝膠以水為溶脹劑,具有彈性、半透明且可能具有生物相容性。在一項實驗中,研究人員將銅離子注入 V 形水凝膠段,導致 V 形水凝膠像鑷子一樣彎曲。在另一項實驗中,化學反應導致 X 形水凝膠片摺疊成四爪抓取器的形狀。

軟體機器人最大的優勢也可能最容易被忽視。一塊聚合物、一些氣管和一個小型電源的成本可能僅為製造一個可移動的金屬機器人的成本的一小部分。如果人們願意接受看起來更像頭足類動物而不是《傑森一家》中的人形女僕羅西的機器人,那麼節省的成本可能會導致廣泛應用。

Larry Greenemeier大眾科學的技術副編輯,負責報道各種技術相關主題,包括生物技術、計算機、軍事技術、奈米技術和機器人。

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大眾科學雜誌 第 309 卷 第 6 期本文最初以“蠕蟲和章魚啟發了柔性機器,它們可以到達金屬機器人無法到達的地方”為標題發表於大眾科學雜誌 第 309 卷 第 6 期(),第 43 頁
doi:10.1038/scientificamerican1213-43
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