QQ在（zài）线
企业微信
资（zī）讯
245
研究人（rén）员提出了新的在（zài）颗粒介质（zhì）中（zhōng）挖（wā）掘的动力（lì）学理解，结合关键结果（guǒ）设计出（chū）一款带有尖端延伸喷气装置的（de）管状（zhuàng）机器（qì）人，控制地下的相互作用力来实现（xiàn）快速、可控的三维挖（wā）掘。
该论（lùn）文题目为《软体机器（qì）人通过（guò）控制地下力量（liàng）实现快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于（yú）6月16日发表在《科学·机器人》上。
▍软体机（jī）器人地下挖掘面临阻力和升力
机器人（rén）非常适合在极端环境下使用（yòng），如太空、海底或灾难现场。现在的机器人（rén）已经可以上天下海，并且在陆地（dì）上进行各种自由活动。然（rán）而，机器人运动的一个前沿领（lǐng）域仍未被探索（suǒ），那（nà）就是地下。
论文的第一（yī）作者，来自加利福尼亚（yà）大学圣（shèng）塔芭芭拉分校霍克斯（sī）实验（yàn）室（Hawkes Lab）的研究生尼（ní）古拉（lā）斯·纳（nà）克莱里奥（Nicholas Naclerio）说：“在地面上让（ràng）机器人运动，最大挑战是其所涉及到的各种力，空气和水对于穿过（guò）它们的物体阻力很小。但是进入地下世界就是另一回事了。如果你（nǐ）试图钻进地下，就必须将土壤、沙子或（huò）其（qí）他介质（zhì）推开。”
在地（dì）下（xià）运动很困难（nán），部分原因是土（tǔ）壤和颗（kē）粒介质（zhì）产生的阻力不仅（jǐn）比（bǐ）空气或水产（chǎn）生的阻力大几个数（shù）量级（jí），还存在一种不（bú）同类（lèi）型的（de）升力。现有挖掘方法大都依赖于大型（xíng）机械装置，这些装置（zhì）具有坚硬而巨大的部件，常用装置如螺旋钻（zuàn）机（jī）、液压旋转钻机、隧道钻（zuàn）机等，有效地克服了这些（xiē）力。但是大型装置的挖掘方式并不适合小型、微创机器人。
适合机器人的机械挖掘（jué）方式（shì）被（bèi）逐渐提出，包括（kuò）螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等。例如（rú），美（měi）国宇航（háng）局（NASA）2018年向火星发射“洞察号（hào）”探测器（qì）时，装（zhuāng）备了（le）一种（zhǒng）挖掘机器人“鼹鼠（shǔ）”，就采（cǎi）用了自锤击方（fāng）式挖（wā）洞（dòng），但（dàn）是受（shòu）火星土（tǔ）壤性质（zhì）影响，一直（zhí）未能成（chéng）功。2021年1月，相关工（gōng）程师在（zài）最后一次尝试后，放弃使用“鼹（yǎn）鼠”进（jìn）行火星地底（dǐ）挖掘。可以看出，机器人挖掘地下（xià）还面（miàn）临（lín）很多（duō）挑战。
研究人（rén）员从在地下（xià）活动（dòng）的植物和动物身上汲取灵感，开发（fā）出了一种快速、可控（kòng）的（de）软体机器人，这（zhè）款机（jī）器（qì）人（rén）目前（qián）成功实现（xiàn）在沙（shā）子中（zhōng）挖（wā）洞。此项技术不仅实现（xiàn）机器人在地下（xià）进行快速、精（jīng）确、小范（fàn）围运动，还奠（diàn）定了（le）这类（lèi）新型机器人（rén）的机械基础。
▍自然（rán）界可替代挖（wā）洞（dòng）思（sī）路
自然界在地下生（shēng）长（zhǎng）延伸成网（wǎng）络的植物（wù）和真菌为研究人员提供了许多地下运动的例（lì）子，而动物则掌握了直接穿过颗（kē）粒介质的能力（lì）。佐治亚理（lǐ）工学院物（wù）理（lǐ）学（xué）教授丹（dān）尼尔（ěr）·戈德曼（Daniel Goldman）表示，从机械物理角度理解（jiě）植物和动（dòng）物如何掌握地下（xià）运动能力，为科学和（hé）技术开辟了（le）许多可（kě）能（néng）性。
“研究不同生（shēng）物体在（zài）颗粒介质中成功游动和挖掘原（yuán）理（lǐ）得出的发现，可以用来开发（fā）新型机械和机器人。”戈德（dé）曼说：“反（fǎn）过（guò）来，开（kāi）发具有这种能力的机器（qì）人可（kě）以促进新的动物（wù）研（yán）究，以及颗粒基质物理学中新现象的发现。”
霍克斯（sī）实（shí）验室研究人员设计的藤蔓状软体机器人就是一（yī）个良好的开端，该机器人模仿了植物其他部分保持静止情况下，根部尖端生长运（yùn）动（dòng）的方式（shì）。根据研（yán）究人员（yuán）的说法，在地下环（huán）境（jìng）中，尖端生长保持较低（dī）的阻力，但（dàn）仅（jǐn）局限于生长端；如果整个机器人身（shēn）体（tǐ）随着“长（zhǎng）大（dà）”而（ér）移（yí）动，介质表面的（de）摩擦力会随着机器人更（gèng）多部分进（jìn）入沙子而增加，直到机器人不再移动。
策略1：尖端延伸
穴居动物启发了另一种称为颗（kē）粒流化的策略（luè），该策略是将颗粒转化成类似悬浮流体的状态，使动物能够克服（fú）沙子或松散土壤带（dài）来的高（gāo）阻力。例（lì）如，章（zhāng）鱼会向地下喷（pēn）射一股水流（liú），然后用它的触手（shǒu）将（jiāng）自己拉入（rù）暂时松（sōng）动的沙子中。研究人（rén）员在机器人（rén）上安装了一种基于尖端的（de）流动装置（zhì），该装置将（jiāng）空气喷射到（dào）尖端之前（qián）的区域，使机器人能够进入该区域。
策略2：空气流（liú）体
纳克莱里奥说：“我们的最大挑战，也是（shì）花费时间最长（zhǎng）的问题是，当机器人切换到在水平方向上挖洞时，它总是会（huì）浮出来（lái）。”他（tā）解释道，尽管（guǎn）气体（tǐ）或液体可以均匀地在对称物体的上方和下（xià）方（fāng）产生流动，但（dàn）在流化沙（shā）中（zhōng），力的（de）分布并不平衡，并且对水平运动的机器人产生了显（xiǎn）著的（de）上（shàng）升力。“将沙（shā）子推开，比（bǐ）将其（qí）压实要容易得多。”
为了了解机器人的运动情况和探究空气辅助进入的大部分未知物理特性，该团队测量了（le）机器人从水平方（fāng）向推入沙子，其尖端实心棒附近流入的（de）不同（tóng）角度（dù）气流（liú）导致的阻力和升（shēng）力。
“颗（kē）粒材料中产生的摩擦力与（yǔ）牛（niú）顿流（liú）体中产生（shēng）的摩擦力有很大不同（tóng），由于高摩擦力（lì），机器人进入沙子，会在（zài）运动方向上挤压大片空间（jiān）。”罗切斯特大学的高（gāo）盛实验室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡尔赛（Andras Karsai）说：“为了缓解（jiě）这种情况（kuàng），一种将（jiāng）颗粒物体提升和推（tuī）开的低密度流体通（tōng）常会减（jiǎn）少机器（qì）人必须克服的静摩擦力（lì）。”
与（yǔ）气体或液体不同（tóng），向下的流体喷（pēn）射会为移（yí）动的物体产（chǎn）生（shēng）升力（lì），而在沙子中，向下的气流降低了升力，机器人实现在延伸出的尖端下方挖洞。结合从沙漠蜥蜴那获得的灵（líng）感，类似沙漠蜥蜴（yì）楔形（xíng）的（de）头部（bù）有利于机器人向下运动，使研（yán）究人员能（néng）够调节阻力并保持机（jī）器（qì）人（rén）水平移动而不（bú）会从沙子（zǐ）中浮出。
策略3：不对（duì）称气流喷射设（shè）计
▍气动（dòng）尖（jiān）端延伸（shēn）助力机（jī）器（qì）人快速挖洞
三种（zhǒng）机（jī）器（qì）人挖掘策略（luè）效果（guǒ）都很明显：
采用尖端延伸设计可以（yǐ）减少机器人（rén）所受阻（zǔ）力。软体机器人（rén）和刚性材料机器人在（zài）相同类型的沙（shā）子表（biǎo）面向下挖洞时，其前端阻力相（xiàng）同，但软体（tǐ）机器人的（de）接触（chù）阻力较少。相（xiàng）比与之（zhī）前的InSight HP3探（tàn）测（cè）器在沙（shā）子中0.14米（mǐ）每秒的速度，软体机器人在沙（shā）子（zǐ）中的（de）极限速度（dù）是每秒（miǎo）480厘（lí）米，已经可（kě）以实现高速（sù）挖洞。
局部颗粒流化（huà）减少阻力。软体机器（qì）人从尖端喷射气流后，降低了穿过干（gàn）燥（zào）沙子的阻力，并且机器人受到的阻力与进（jìn）入（rù）深（shēn）度非线性比例增长，而喷射气体流（liú）速（sù）增加会（huì）导致比例（lì）减少（shǎo）。
而（ér）不（bú）对称的向下气流可以（yǐ）控制机器人受到的升力。在大多数喷射气流角度下，增（zēng）加气流会降低沙子（zǐ）带来的升力。但是（shì）比较出乎意（yì）料的（de）是不（bú）论气流大小，在30度方向喷射（shè）气（qì）流角度时，机（jī）器人（rén）受到的升力最大。
新款软体机器人在长、浅、定向挖（wā）洞方（fāng）面有更好的性能（néng）。像这（zhè）样的小型探索性（xìng）软体机器（qì）人具有多（duō）种应用，可以完成在干燥的颗（kē）粒介质中进行表（biǎo）层挖洞的任务，例如土壤（rǎng）采（cǎi）样、公用事业的（de）地下安装和防侵蚀控（kòng）制。机器人控制（zhì）尖端延伸方向并调节它在介质中锚定的牢固程（chéng）度（dù），这（zhè）种控制（zhì）对于在低重力环境中的探（tàn）索非常有（yǒu）用。事实（shí）上，该（gāi）团队正在与NASA合作开（kāi）展一（yī）个项目，在（zài）月球甚至更（gèng）远的天体（如木星、卫（wèi）星（xīng）、土卫二）上开发挖洞技术。
霍克斯（sī）（Hawkes）说：“我们相信挖（wā）洞有可能（néng）为（wéi）外（wài）星（xīng）应用机器人开辟新的途径（jìng）。”
▍新材料和新控制（zhì）技（jì）术让软体机器人有（yǒu）更多可能
软体机器人目前的研（yán）究（jiū）涉及新材料和新控制技术，例如最新（xīn）这款挖洞（dòng）机器人就（jiù）是参（cān）考自然界的植（zhí）物（wù）、章鱼、沙漠蜥蜴等钻地挖（wā）洞的机制，设计新的控制技术（shù），韩国（guó）首尔国立大学（xué）的J.-Y.Sun团（tuán）队（duì）研究（jiū）了水凝胶这（zhè）种新材料应用于制作软体机器人（rén）组件。
传统机器人（rén）大多是由限制弹（dàn）性变形能力的刚性材料制成。软体机器人这种新型仿生连续体机器人，可（kě）以（yǐ）在（zài）一定（dìng）限（xiàn）度内随意变化（huà）形态，弥补传（chuán）统（tǒng）机器人在适应（yīng）多变环境上（shàng）的不足，有望在生物工（gōng）程、救灾救（jiù）援、工业生产、医疗服（fú）务、勘（kān）探勘测（cè）等领域发挥重要作用。
