極端環(huán)境下的機器人研究又有新進(jìn)展——地下挖洞軟體機器人登場(chǎng)
據外媒報道，有研究人員提出了新的在顆粒介質(zhì)中挖掘的動(dòng)力學(xué)理解，結合關(guān)鍵結果設計出一款帶有尖.端延伸噴氣裝置的管狀機器人，控制地下的相互作用力來(lái)實(shí)現快速、可控的三維挖掘。
▍軟體機器人地下挖掘面臨阻力和升力
機器人非常適合在極.端環(huán)境下使用，如太空、海底或災難現場(chǎng)?，F在的機器人已經(jīng)可以上天下海，并且在陸地上進(jìn)行各種自.由活動(dòng)。然而，機器人運動(dòng)的一個(gè)前沿領(lǐng)域仍未被探索，那就是地下。
讓機器人運動(dòng)，非常大挑戰是其所涉及到的各種力，空氣和水對于穿過(guò)它們的物體阻力很小，但是進(jìn)入地下世界就是另一回事了。如果你試圖鉆進(jìn)地下，就必.須將土壤、沙子或其他介質(zhì)都推開(kāi)。
在地下運動(dòng)很困難，部分原因是土壤和顆粒介質(zhì)產(chǎn)生的阻力不僅比空氣或水產(chǎn)生的阻力大幾個(gè)數量級，還存在一種不同類(lèi)型的升力?，F有挖掘方法大都依賴(lài)于大型機械裝置，這些裝置具有堅硬和巨大的部件，常規方法如螺旋鉆機、液壓旋轉鉆機、隧道鉆機等有效的克服了這些力；但是大型裝置的挖掘方式并不適合小型、微創(chuàng )機器人。機器人挖掘地下方面還面臨很多挑戰。
研究人員從地下空間活動(dòng)的植物和動(dòng)物身上汲取靈感，開(kāi)發(fā)出了一種快速、可控的軟體機器人，這款機器人目前成功實(shí)現在沙子中挖洞。此項技術(shù)不僅實(shí)現了機器人在地下進(jìn)行快速、精確、小范圍運動(dòng)，還奠定了這類(lèi)新型機器人的機械基礎。
▍自然界可替代挖洞思路
自然界在地下生長(cháng)延伸成網(wǎng)絡(luò )的植物和真菌為研究人員提供了許多地下運動(dòng)的例子，而動(dòng)物則掌握了直接穿過(guò)顆粒介質(zhì)的能力。從機械物理角度理解植物和動(dòng)物如何掌握地下運動(dòng)能力，為科學(xué)和技術(shù)開(kāi)辟了許多可能性。
研究不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游動(dòng)和挖掘原理得出的發(fā)現，可以用來(lái)開(kāi)發(fā)新型機械和機器人。反過(guò)來(lái)，開(kāi)發(fā)具有這種能力的機器人可以促進(jìn)新的動(dòng)物研究，以及顆?；|(zhì)物理學(xué)中新現象的發(fā)現。
新研發(fā)的這款藤蔓狀軟體機器人模仿了植物其他部分保持靜止情況下，根部尖.端生長(cháng)運動(dòng)的方式。在地下環(huán)境中，尖.端生長(cháng)保持較低的阻力，但僅局限于生長(cháng)端；如果整個(gè)機器人身體隨著(zhù)“長(cháng)大”而移動(dòng)，介質(zhì)表面的摩擦力會(huì )隨著(zhù)機器人更多部分進(jìn)入沙子而增加，直到機器人不再移動(dòng)。
▲策略1：尖.端延伸
穴居動(dòng)物啟發(fā)了另一種稱(chēng)為顆粒流化的策略，該策略是將顆粒轉化成類(lèi)似懸浮流體的狀態(tài)，使動(dòng)物能夠克服沙子或松散土壤帶來(lái)的高阻力。例如，章魚(yú)會(huì )向地下噴射一股水流，然后用它的觸手將自己拉入暫時(shí)松動(dòng)的沙子中。研究人員在機器人上安裝了一種基于尖.端的流動(dòng)裝置，該裝置將空氣噴射到尖.端之前的區域，使機器人能夠進(jìn)入該區域。
▲策略2：空氣流體
研發(fā)過(guò)程中遇到的大挑戰是切換到機器人在水平方向上挖洞時(shí)，機器人總是會(huì )浮出來(lái)。盡管氣體或液體可以均勻的在對稱(chēng)物體的上方和下方產(chǎn)生流動(dòng)，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且對水平運動(dòng)的機器人產(chǎn)生了顯著(zhù)的上升力。將沙子推開(kāi)，比將其壓實(shí)要容易得多。
為了了解機器人的運動(dòng)情況和探究空氣輔助進(jìn)入的大部分未知物理特性，該團隊測量了機器人從水平方向推入沙子，其尖.端實(shí)心棒附近流入的不同角度氣流導致的阻力和升力。
顆粒材料中產(chǎn)生的摩擦力與牛頓流體中產(chǎn)生摩擦力有很大不同，因為由于高摩擦力，機器人進(jìn)入沙子，會(huì )在運動(dòng)方向上壓實(shí)和擠壓大片空間。為了緩解這種情況，一種將顆粒物體提升和推開(kāi)的低密度流體通常會(huì )減少機器人需要克服的靜摩擦力。
與氣體或液體不同，向下的流體噴射會(huì )為移動(dòng)的物體產(chǎn)生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，機器人實(shí)現在延伸出的尖.端下方挖洞。結合從沙漠蜥蜴那獲得的靈感，類(lèi)似沙漠蜥蜴楔形的頭部有利于機器人向下運動(dòng)，使研究人員能夠調節阻力并保持機器人水平移動(dòng)而不會(huì )從沙子中浮出。
▲策略3：不對稱(chēng)氣流噴射設計
▍氣動(dòng)尖.端延伸助力機器人快速挖洞
三種機器人挖掘策略效果都很明顯：
采用尖.端延伸設計可以減少機器人所受阻力。軟體機器人和剛性材料機器人在相同類(lèi)型的沙子表面向下挖洞時(shí)，其前端阻力相同，但軟體機器人的接觸阻力較少，可以實(shí)現高速挖洞。
局部顆粒流化減少阻力。軟體機器人從尖.端噴射氣流后，降低了穿過(guò)干燥沙子的阻力，并且機器人受到的阻力與進(jìn)入深度非線(xiàn)性比例增長(cháng)，而隨著(zhù)噴射氣體流速增加會(huì )大致比例減少。
而不對稱(chēng)的向下氣流可以控制機器人受到的升力。在大多數噴射氣流角度下，增加氣流會(huì )降低沙子帶來(lái)的升力。但是比較出乎意料的是不論氣流大小，在30度方向噴射氣流角度時(shí)，機器人受到的升力zui大。
新款軟體機器人在長(cháng)、淺、定向挖洞方面有更好的性能。像這樣的小型探索性軟體機器人具有多種應用，可以完成需要在干燥的顆粒介質(zhì)中進(jìn)行表層挖洞的事情，例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和防侵蝕控制。
機器人控制尖.端延伸方向并調節它在介質(zhì)中錨定的牢固程度，這種控制對于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。未來(lái)的某一天，這款軟體機器人在月球甚至更遠的天體上開(kāi)發(fā)挖洞技術(shù)也未可知。
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