軟體機(jī)器人嶄露頭角
2024-12-27
智能機(jī)器人。研究團(tuán)隊(duì)的靈感來(lái)自鈍口擬獅子魚,它創(chuàng)下了一項(xiàng)人類拍到活體魚類的最深紀(jì)錄——8178 米,可承受700千克/平方厘米的壓力,表現(xiàn)出頑強(qiáng)的生存能力和靈活的移動(dòng)能力。鈍口擬獅子魚身體呈流線型,表現(xiàn)出對(duì)深海環(huán)境的多種適應(yīng)性,包括透明的皮膚、能拍打的胸鰭、巨大的胃、較纖細(xì)的肌肉、輕微骨化的骨骼和不完全封閉的顱骨。它的一個(gè)與骨骼鈣化相關(guān)的基因發(fā)生了假基因化,使得其骨骼變得非常薄且能夠彎曲。鈍口擬獅子魚的生育周期也大大延長(zhǎng),以便更好地在惡劣的環(huán)境下生存繁衍。
科學(xué)家把機(jī)器人設(shè)計(jì)成一個(gè)與鈍口擬獅子魚相似的軟體,每側(cè)有2個(gè)大鰭,大鰭前緣由較硬的材料制成,可以上下彎曲,其上還附著一層薄薄的柔性薄膜,幫助它提供推進(jìn)力。該機(jī)器人全長(zhǎng) 22 厘米(其中體長(zhǎng)11.5 厘米,尾長(zhǎng)10.5 厘米),翼展28 厘米。電力和控制電子設(shè)備包括鋰離子電池、高壓放大器、紅外接收器、放電電阻器和微程序控制器等。“肌肉”位于軟體和大鰭的交界處,由能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械功的材料構(gòu)成,并固定在散熱片上,它的收縮會(huì)使大鰭相對(duì)于軟體向下拉。
傳統(tǒng)的水下航行器需要金屬材料制成的水密外殼,以承受深海高壓,并且隨著下潛深度要求的提高,外殼的厚度和尺寸也要增加。然而,這款機(jī)器人消除了對(duì)耐壓外殼的需求。研究人員通過(guò)壓力測(cè)試發(fā)現(xiàn),如果精密的電子元件密集地封裝在一塊印刷電路板上,它們的接口處容易發(fā)生故障,而將其嵌入并分布在柔軟的硅樹脂基體中,可保護(hù)其免受高壓影響。這種設(shè)計(jì)源于鈍口擬獅子魚頭骨的分布,相較其他保護(hù)深海電子設(shè)備的方法更實(shí)用,成本也更為低廉。
科學(xué)家在機(jī)械驅(qū)動(dòng)部分,選用了一種加上電壓即可出現(xiàn)形變的電激活聚合物。這種介電彈性體(DE)成為機(jī)器人游動(dòng)的關(guān)鍵。當(dāng)施加交流電壓時(shí),周期性變形的DE“肌肉”使2個(gè)鰭產(chǎn)生拍打運(yùn)動(dòng)以推進(jìn)游動(dòng)。
為了測(cè)試該軟體機(jī)器人的游動(dòng)性能,研究人員首先在壓力水腔中進(jìn)行了試驗(yàn)。接著,他們?cè)?0米深的湖泊中進(jìn)行了測(cè)試,機(jī)器人能夠以3.16厘米/秒的速度自由游動(dòng)。之后,在中國(guó)南?,F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中,機(jī)器人由遙控潛水器攜帶到 3224 米的深度,在8千伏、1赫茲的交流電壓的驅(qū)動(dòng)下,以5.19厘米/秒的速度拍打雙鰭運(yùn)動(dòng),成功地實(shí)現(xiàn)了自由游動(dòng)。最后,研究人員在馬里亞納海溝分別測(cè)試了機(jī)器人的雙鰭拍打運(yùn)動(dòng)和克服壓力阻力的能力。他們將機(jī)器人安裝在深海著陸器上,機(jī)器人內(nèi)部自帶容量為 2500毫安的鋰離子電池和高壓放大器自動(dòng)供電,可以產(chǎn)生0.5赫茲的7千伏、8千伏和9千伏的激勵(lì)交流電壓。最終結(jié)果顯示,在沒(méi)有耐壓外殼壓力容器的情況下,機(jī)器人撲鰭驅(qū)動(dòng)保持了45分鐘。
多次試驗(yàn)表明,這款無(wú)需耐壓外殼的仿生軟體智能機(jī)器人有極好的耐壓和游泳性能。對(duì)此,外國(guó)機(jī)器人專家高度評(píng)價(jià)道:“這款軟體智能機(jī)器人,達(dá)到了受生物啟發(fā)的軟體機(jī)器人所能實(shí)現(xiàn)的極限?!?/div>
在軟體機(jī)器人的制作方法中,最簡(jiǎn)單的是用3D打印,用柔軟卻有韌性的材料取代傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼。其中,液態(tài)硅橡膠最為引人注目,它具有流動(dòng)性好、硫化快的特點(diǎn),既可澆注成型,也可注射成型。美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的有史以來(lái)第一臺(tái)軟體自主機(jī)器人Octobot,使用的就是液態(tài)硅橡膠。它只有手掌大小,不靠電驅(qū)動(dòng),而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮,借助壓強(qiáng)變化,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。
“章魚”完全不靠電驅(qū)動(dòng)
在軟體機(jī)器人的制作方法中,最簡(jiǎn)單的是用3D打印,用柔軟卻有韌性的材料取代傳統(tǒng)的剛性連接器和外殼。其中,液態(tài)硅橡膠最為引人注目,它具有流動(dòng)性好、硫化快的特點(diǎn),既可澆注成型,也可注射成型。美國(guó)哈佛大學(xué)科學(xué)家開發(fā)的有史以來(lái)第一臺(tái)軟體自主機(jī)器人Octobot,使用的就是液態(tài)硅橡膠。它只有手掌大小,不靠電驅(qū)動(dòng),而是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣體聚集壓縮,借助壓強(qiáng)變化,實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)。
研究團(tuán)隊(duì)最早設(shè)想的只是一個(gè)半柔性機(jī)器人,用常規(guī)的泵閥系統(tǒng)驅(qū)動(dòng),并且需要電纜連接機(jī)。后來(lái),他們從章魚身上找到靈感,不僅機(jī)器人的軀干和致動(dòng)器使用的是柔性材料,而且控制系統(tǒng)和電源也使用柔性材料,無(wú)需再受外置電纜的牽制。經(jīng)過(guò)5年攻關(guān),他們終于使Octobot成為世界上首個(gè)全軟體機(jī)器人,能扭曲著繞過(guò)障礙物。
Octobot的“大腦”部分設(shè)計(jì)有柔性微流體回路,可以用由壓強(qiáng)激活的閥門和開關(guān)在通道內(nèi)傳導(dǎo)濃度為50%的過(guò)氧化氫溶液。在鉑金屬粉末的催化下,這種液體燃料會(huì)快速生成大量的水和氧氣。由于生成物的體積大于原來(lái)反應(yīng)物的體積,通道內(nèi)的壓強(qiáng)由此產(chǎn)生改變,使Octobot的機(jī)械臂在突然增大的壓強(qiáng)的影響下膨脹舒展,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。與此同時(shí),排氣孔保證氧氣最終會(huì)通過(guò)它排出。