技术原理

斯坦福大学工程师创造可变形、自由漫步的软机器人

编者按:本文来自微信公众号“学术头条”(ID:SciTouTiao),作者:小婷,。

为了让机器人与人类协同工作,并在高度工程化的环境中发挥作用,就要求所设计的机器人必须对人类是安全的、健壮的、可适应各种场景的,并且能够在各种类型地形中灵活移动。

软机器人技术的发展进步,或许有朝一日可以实现机器人与人类并肩工作,帮助人们举起重物或将人们带离危险。

作为迈向未来的一步,3 月 18 日,发表在《科学机器人》(Science Robotics)的一篇论文中,斯坦福大学的研究人员通过借鉴传统机器人技术的特性,开发了一种新型的软机器人,它既安全,又保留了可以移动和改变形状的能力。

​斯坦福大学工程师创造可变形、自由漫步的软机器人

斯坦福大学机械工程专业的研究生 Nathan Usevitch 表示,大多数软体机器人一个最大的局限性在于,必须将它们固定在笨重的空气压缩机上,或插在墙上,从而防止它们移动。

“我们描述的这个机器人,是电影《超能陆战队》中大白和变形金刚的混合体。换句话说,这是一款柔软的、对人类安全的机器人,同时混合了可以显著改变其形状的机器人。”

多种机器人的合体

这个柔软的机器人最简单的版本是一个充气管,该充气管通过三台小机器将其挤压成一个三角形。其中,一台机器把管子的两端连在一起,另外两台机器沿着管道行驶,通过改变机器人的转角来改变机器人的整体形状。研究人员称其为 “等周机器人(isoperimetric robot)”,因为尽管形状发生了巨大变化,但边缘的总长度以及内部的空气量保持不变。

等周机器人是软机器人(soft robots)、桁架机器人(truss robots)和群体机器人(collective robots)这三类机器人的派生物。软机器人是轻量级、顺应性强的机器人,桁架机器人具有可以改变形状的几何形态,而群体机器人则是可以协同工作的小型机器人,研究利用了三种机器人的优势,并且绕过了每种机器人的缺点。

论文作者、机械工程助理教授 Sean Follmer 说:“我们基本上是在用传统的电动机来操纵一个柔软的结构。这是一类非常有趣的机器人,它结合了软机器人的许多优点,以及我们关于经典机器人的所有知识。”

​斯坦福大学工程师创造可变形、自由漫步的软机器人

软机器人的组成结构和工作原理

为了制作更复杂的机器人,研究人员将几个三角形连接在一起,通过不同电动机之间的协调运转,使机器人执行不同的动作。

论文共同作者、加州大学圣巴巴拉分校机械工程助理教授 Elliot Hawkes 表示:“我们开发的一项关键协议是,要使用大型、柔软的气动机器人来进行运动,实际上并不需要把空气抽入和抽出。你可以使用机器人内部现有的空气,并通过这些简单的电动机来移动它;这种方法效率更高,也可以使我们的机器人运动得更快。”

从外太空到客厅

软机器人领域的研究目前相对比较短,这意味着人们仍在为这些新发明寻找最佳的应用。它们的柔软性可能会使其在家庭和工作场所发挥作用,而传统的机器人可能会在这些地方造成伤害。软机器人也很适合作为应对灾难的工具。

论文另一位作者、斯坦福大学机械工程专业的研究生 Zachary Hammond 说:“这种机器人可能对于太空探索非常有用,特别是因为它可以被装在一个小包裹里运输,然后在充气后不受束缚地运转。在另一个星球上,它可以利用其变型能力穿过复杂的环境,挤过狭窄的空间,以跨越障碍。”

​斯坦福大学工程师创造可变形、自由漫步的软机器人

机器人抓球和拿球俯视图

目前,研究人员正在为他们的软机器人试验不同的形状,并考虑将其放入水中,看看它是否可以游泳。他们还在探索更多拥有个性化特征和优势的新型软机器人。

研究人员表示,这项研究凸显了以新方式思考设计和建造机器人的力量。随着这种系统的发展,机器人设计的创造力正在不断扩大,这是我们在机器人领域真正希望鼓励的事情。

论文标题:An untethered isoperimetric soft robot

DOI: 10.1126/scirobotics.aaz0492

参考资料:

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-03/su-sec031520.php

https://robotics.sciencemag.org/content/5/40/eaaz0492

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