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  • 靠“屁”来驱动的全球首个全软体机器人问世

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    • 时间:2016-08-26
    • 来源: cnBeta
    • 编译:lx
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       科学家开发出了许多种形形色色基于八爪章鱼外形的章鱼机器人(octopus-robots,Octobot),不过以下要 介绍的这种绝对是你们见过最可爱的一种,柔软的样子非常可爱,而且它还能够“放屁”,甚至将“屁”作为动力推动前进,应该没有比这更有趣或者平易近人的章 鱼机器人了吧。
     

     
      机器人不再硬邦邦:这款3D打印出来的机器人,全使用柔性材料,外形酷似章鱼,无需电力便可自主运动,材料成本还不到3美元。
     
      当地时间8月24日,通过《自然》杂志的一篇学术文章,来自哈佛大学威斯生物工程研究所的全软体机器人“Octobot(章鱼机器人)”,向世人宣告了它的诞生。该文的通讯作者是哈佛大学的工程师Robert Wood和Jennifer Lewis,在他们的描述中,Octobot是一只仅手掌大、各个构件都不使用硬性材料的自动机器人。
     
      Robert Wood表示,“和一般的电子回路相比,我们在回路中传递的不是电子,而是液体和气体。”由硅橡胶制成的Octobot不靠电来驱动,而是通过化学反应产生的大量气体聚集压缩,借助压强变化,实现机械臂的运动。
     
      一直以来,灾险救援、极端环境探测都是人类研发机器人的重要应用场景,但传统机器人的刚性材料经不起撞击,反而在未知的复杂环境中“拖后腿”。如果把机器人的材料替换成柔性的,就可以让机器人更好地适应外部环境。
     
      早在2011年的时候,该文的第一作者、哈佛大学助理研究员Michael Wehner就已经带领着他的团队探索全柔性机器人。当时他们想的是用常规的泵阀系统来驱动机器人,并且需要电缆连接机器人,这意味着这只是一个半柔性机器人。当时横亘在科学家面前的难题是,如何将电池和回路用柔性材料代替。
     
      5年后,Octobot才成为世界上首个全软体机器人。Wehner团队从章鱼身上找到灵感,不仅机器人的躯干和致动器是柔性材料,连控制系统和电源也使用柔性材料,无需再受外置电缆的牵制。
     
      赋予这只全软体机器人“自由”的是化学反应。
     
      据《自然》杂志特约作者Helen Shen介绍,Octobot的“大脑”部分是柔性微流体回路,可以用由压强激活的阀门和开关,在通道内传导液体燃料。这种液体燃料是50%浓度的过氧化氢溶液,它会在铂的催化下快速生成大量的水和氧气,生成物的体积比原本的反应物大,从而改变通道内的压强。章鱼机器人的机械臂受到突然增大的压强影响,会膨胀舒展,从而实现机械臂的运动。排气孔同时保证氧气最终会通过排气孔排出。
     
     
     
      50%质量比的过氧化氢在铂金属粉末的催化下迅速释放氧气。来源:DeepTech深科技
     
      但如何保证章鱼机器人能保持一段时间而不是一次性的自主运动?研究团队的设计是把机器人的八只机械臂分为两批(四只机械臂为一批),机械臂中设置了阀门和开关。启动Octobot需要实验者的协助,将过氧化氢分别注入到两个储液槽中,这两个储液槽分别对应一批机械臂。注入后,储液槽会像气球一样会慢慢膨胀,并利用压强差将过氧化氢通过微流体回路。这时,由于压强的变化,有些机械臂的控制点会打开,剩余的会关闭,以此确保同一时间只有一半机械臂流通燃料。随着燃料的消耗,所流通的机械臂内部压强会下降,使得燃料转而流向另半部分原本关闭通道的机械臂。如此往复,通过精巧的阀门开关设计,利用不断变化的压强差,燃料进行来回流通,Octobot能保持机械臂在一段时间内的自主运动。
     
     
      通过Octobot的工作机制可以看到,它内部的通道扮演着重要的角色,是它的“大脑”和机械臂进行“通信”的渠道。这些通道都由3D打印而成,打印过程也很有趣。研究者们在章鱼形状的模具中倒入了有机硅聚合物,又在聚合物中注入一种特殊的墨水,这种墨水可以在聚合物中保持形状和位置。加热后,墨水会蒸发,留下了Octobot内部的通道网络。制造Octobot的材料成本也很低,只需不到3美元,每份燃料大约仅5美分,这让大规模应用免去对高成本的顾虑。
     
      但目前而言,Octobot还没有达到它的最佳状态,需要继续改善。一次添加的燃料(1毫升)只能维持章鱼机器人大约4-8分钟的“生命”。就自主运动而言,也比较单一,还无法实现自主转向。
     
      该项目的领导者之一Robert Wood也表示,Octobot目前还没有专门为一项操作任务进行设计,只是作为一种技术的展示。后续,微流体回路会升级得更为精密复杂,从而确保Octobot能更持久地运动,再搭配恰当的肢体动作,实现更复杂的操作。
     
      除此之外,为了更好适用于复杂的应用场景,Octobot可能还需要将微流体回路和柔性传感器结合,让全软体机器人更智能。
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