仿章魚(yú)機(jī)器人可任意變形 應(yīng)用前景十分值得期待

3月19日消息，斯坦福大學(xué)的機(jī)器人團(tuán)隊(duì)新近發(fā)明了一款軟體機(jī)器人，可以任意改變形狀，據(jù)稱設(shè)計(jì)人員是從章魚(yú)身上得到了靈感。機(jī)器人由柔軟織物材質(zhì)的管道和滾筒模塊組合而成，管道里充滿空氣。使用者只需操控配套的小型發(fā)動(dòng)機(jī)，就可讓機(jī)器人改變形狀。

斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)研究生內(nèi)森·烏瑟維奇（Nathan Usevitch）是這個(gè)項(xiàng)目的參與者之一，他將這款機(jī)器人描述為“電影《超能陸戰(zhàn)隊(duì)6（Big Hero6）》中的角色大白（Baymax）和變形金剛（Transformers）的混合體”。

這項(xiàng)研究已于本周三發(fā)布在《科學(xué)機(jī)器人學(xué)（Science Robotics）》上，論文題目是《一種無(wú)繩系等周柔性機(jī)器人（An untethered isoperimetric soft robot）》。

一、機(jī)器人設(shè)計(jì)新思路：淘汰系繩、簡(jiǎn)易組裝

考慮到工程作業(yè)的環(huán)境條件，機(jī)器人必須具有足夠的安全性和環(huán)境適應(yīng)性。除了結(jié)實(shí)耐用，還要能夠靈活移動(dòng)。要滿足這些條件，不僅要有配備精準(zhǔn)的控制算法和強(qiáng)大的傳感器，還需要適應(yīng)性更好的結(jié)構(gòu)與之相配，而現(xiàn)有的機(jī)器人尚不能滿足這些要求。

目前市面上主要有軟式、集體式和桁架式三種機(jī)器人。軟式機(jī)器人安全性高，較為堅(jiān)固，但需要用系繩與空氣壓縮設(shè)備相連。集體式機(jī)器人模塊化程度高，但子單元過(guò)于復(fù)雜。桁架式機(jī)器人可以變形，但只能在固定方向線性伸縮。

在論文中，研究人員稱其發(fā)明的“無(wú)繩系等周柔性機(jī)器人（An untethered isoperimetric soft robot）”綜合了三種機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)，擺脫了結(jié)構(gòu)限制。

這款機(jī)器人主要由織物管和3個(gè)滾筒模塊組成，滾筒模塊包含機(jī)械滾筒和小型發(fā)動(dòng)機(jī)兩個(gè)部分。滾筒模塊安裝于織物管上，其中一個(gè)將織物管首尾相接，另外兩個(gè)可在管道上移動(dòng)，與織物管一起組成三角形。

使用時(shí)利用滾筒夾緊織物管，使其維持固定的形狀。一旦需要機(jī)器人變形，則可利用小型發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒移位，給織物管重新“塑形”。在滾筒移動(dòng)過(guò)程中，機(jī)器人形狀改變，但織物管的長(zhǎng)度及其內(nèi)部空氣量保持不變。也有研究人員因此稱其為“等周機(jī)器人”。

對(duì)于這款機(jī)器人的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，斯坦福大學(xué)航空航天助理教授麥克·史瓦格（Mac Schwager）評(píng)價(jià)到：“讓我感到興奮的是，這款機(jī)器人實(shí)際上是由幾個(gè)機(jī)器滾軸組成的集合體，他們通過(guò)協(xié)同運(yùn)作來(lái)移動(dòng)機(jī)器人和改變形狀。這使其成為了一個(gè)適應(yīng)性強(qiáng)而堅(jiān)固的系統(tǒng)。”

二、移動(dòng)靈活，能撿球，還能變身“形狀顯示器”

研究人員曾將幾個(gè)機(jī)器人組合在一起，用發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)其移動(dòng)，最終成功操縱機(jī)器人撿起了一個(gè)球。此外，機(jī)器人還可以推動(dòng)球向前滾動(dòng)。這就說(shuō)明此種機(jī)器人可以接近物體、撿起物體，再將其移動(dòng)至特定位置。而這些操作對(duì)于夾鉗機(jī)器人來(lái)說(shuō)則很難完成，這也意味著軟體機(jī)器人未來(lái)將有更多可能的應(yīng)用場(chǎng)景。

1、太空旅行好幫手

研究人員認(rèn)為這種機(jī)器人擁有易于收納的外形，使用起來(lái)還很靈活，十分適合用于太空旅行。斯坦福大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)的研究生扎卡里·哈蒙德（Zachary Hammond）認(rèn)為，“在另一個(gè)星球上，它可以利用其變形能力穿過(guò)復(fù)雜的環(huán)境，擠過(guò)狹小的空間，跨越障礙物?！?/p>

在論文中研究者寫(xiě)到：“在太空漫游任務(wù)中，可以在發(fā)射前排空機(jī)器人氣體，著陸后再充氣，使其完成任務(wù)，這樣就不必?fù)?dān)心能源問(wèn)題了。另外機(jī)器人的柔軟特性也使其更加強(qiáng)健，適用于復(fù)雜地形，也可用于執(zhí)行情況未知的任務(wù)?！?/p>

2、與工人協(xié)同工作

這種機(jī)器人同樣適合工業(yè)使用。例如當(dāng)工人用螺栓裝配零件時(shí)，可利用機(jī)器人來(lái)固定零件。

3、教學(xué)交互小工具

將機(jī)器人改造為教育工具也未嘗不可?？晒膭?lì)學(xué)生自主組裝硬件，與機(jī)器人進(jìn)行身體互動(dòng)。

4、其他方面

論文中提到，如果增加更多的滾筒模塊，就可將機(jī)器人改裝為“形狀顯示器”，在改變形狀時(shí)做到更為動(dòng)態(tài)流暢，甚至成為高刷新率的3D打印機(jī)。

如果將觸摸感應(yīng)應(yīng)用到機(jī)器人中，用戶就可與顯示的形狀即時(shí)交互。

甚至可以應(yīng)用同一組硬件完成用戶的不同需求。當(dāng)需要疏通管道時(shí)，就組裝一個(gè)鏈?zhǔn)綑C(jī)器人，如果想要機(jī)器人快速移動(dòng)，就將其組裝為球型。

結(jié)語(yǔ)：柔性機(jī)器人集合以往產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)，前景樂(lè)觀

以往的機(jī)器人各有優(yōu)點(diǎn)，但均無(wú)法獨(dú)立勝任工程作業(yè)任務(wù)，而斯坦福團(tuán)隊(duì)發(fā)明的“無(wú)繩系等周柔性機(jī)器人”則為這一問(wèn)題提出了解決方案。通過(guò)對(duì)目前的軟式、集體式、桁架式機(jī)器人分別揚(yáng)長(zhǎng)避短，新型機(jī)器人無(wú)疑可以承擔(dān)起工程任務(wù)。

除工程應(yīng)用以外，新型機(jī)器人也在航空、教育、3D打印等方面顯示出了應(yīng)用可能，應(yīng)用前景十分值得期待。