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斯坦福大学工程师创造变形自由漫游的软机器人

软机器人技术的进步有朝一日可以使机器人与人类并肩工作,帮助他们举起重物或将它们带离危险。作为迈向未来的一步,斯坦福大学的研究人员开发了一种新型的软机器人,通过借鉴传统机器人技术的功能,它既安全又保留了移动和改变形状的能力。

 

据称设计人员是从章鱼身上得到了灵感。机器人由柔软织物材质的管道和滚筒模块组合而成,管道里充满空气。使用者只需操控配套的小型发动机,就可让机器人改变形状。斯坦福大学机械工程专业的研究生内森·乌瑟维奇(Nathan Usevitch)表示:“大多数软机器人的一个显着局限性在于,必须将它们固定在笨重的空气压缩机上或插入固定物,以防止它们移动。” “所以,我们想知道:如果我们一直保持相同数量的空气让它全部暴露在空气中会如何?”

一、机器人设计新思路:淘汰系绳、简易组装

考虑到工程作业的环境条件,机器人必须具有足够的安全性和环境适应性。除了结实耐用,还要能够灵活移动。要满足这些条件,不仅要有配备精准的控制算法和强大的传感器,还需要适应性更好的结构与之相配,而现有的机器人尚不能满足这些要求。

 

目前市面上主要有软式、集体式和桁架式三种机器人。软式机器人安全性高,较为坚固,但需要用系绳与空气压缩设备相连。集体式机器人模块化程度高,但子单元过于复杂。桁架式机器人可以变形,但只能在固定方向线性伸缩。

 

在论文中,研究人员称其发明的“无绳系等周柔性机器人(An untethered isoperimetric soft robot)”综合了三种机器人的优点,摆脱了结构限制。

 

这款机器人主要由织物管和3个滚筒模块组成,滚筒模块包含机械滚筒和小型发动机两个部分。滚筒模块安装于织物管上,其中一个将织物管首尾相接,另外两个可在管道上移动,与织物管一起组成三角形。

 

使用时利用滚筒夹紧织物管,使其维持固定的形状。一旦需要机器人变形,则可利用小型发动机驱动滚筒移位,给织物管重新“塑形”。在滚筒移动过程中,机器人形状改变,但织物管的长度及其内部空气量保持不变。也有研究人员因此称其为“等周机器人”。

 

对于这款机器人的独特结构,斯坦福大学航空航天助理教授麦克·史瓦格(Mac Schwager)评价到:“让我感到兴奋的是,这款机器人实际上是由几个机器滚轴组成的集合体,他们通过协同运作来移动机器人和改变形状。这使其成为了一个适应性强而坚固的系统。”

二、移动灵活,能捡球,还能变身“形状显示器”

研究人员曾将几个机器人组合在一起,用发动机驱动其移动,最终成功操纵机器人捡起了一个球。此外,机器人还可以推动球向前滚动。这就说明此种机器人可以接近物体、捡起物体,再将其移动至特定位置。而这些操作对于夹钳机器人来说则很难完成,这也意味着软体机器人未来将有更多可能的应用场景。

1、太空旅行好帮手

研究人员认为这种机器人拥有易于收纳的外形,使用起来还很灵活,十分适合用于太空旅行。斯坦福大学机械工程专业的研究生扎卡里·哈蒙德(Zachary Hammond)认为,“在另一个星球上,它可以利用其变形能力穿过复杂的环境,挤过狭小的空间,跨越障碍物。”

在论文中研究者写到:“在太空漫游任务中,可以在发射前排空机器人气体,着陆后再充气,使其完成任务,这样就不必担心能源问题了。另外机器人的柔软特性也使其更加强健,适用于复杂地形,也可用于执行情况未知的任务。”

2、与工人协同工作

这种机器人同样适合工业使用。例如当工人用螺栓装配零件时,可利用机器人来固定零件。

3、教学交互小工具

将机器人改造为教育工具也未尝不可。可鼓励学生自主组装硬件,与机器人进行身体互动。

4、其他方面

论文中提到,如果增加更多的滚筒模块,就可将机器人改装为“形状显示器”,在改变形状时做到更为动态流畅,甚至成为高刷新率的3D打印机。

如果将触摸感应应用到机器人中,用户就可与显示的形状即时交互。甚至可以应用同一组硬件完成用户的不同需求。当需要疏通管道时,就组装一个链式机器人,如果想要机器人快速移动,就将其组装为球型。

结语:柔性机器人集合以往产品优势,前景乐观

以往的机器人各有优点,但均无法独立胜任工程作业任务,而斯坦福团队发明的“无绳系等周柔性机器人”则为这一问题提出了解决方案。通过对目前的软式、集体式、桁架式机器人分别扬长避短,新型机器人无疑可以承担起工程任务。除工程应用以外,新型机器人也在航空、教育、3D打印等方面显示出了应用可能,应用前景十分值得期待。

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