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Aug. 31 2016

Octobot:這隻機器小章魚,全身都是軟的!

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  • Octobot:這隻機器小章魚,全身都是軟的!

透過機器章魚“Octobot”,研究團隊呈現了一種製造完全柔性機器人的新思路。相比硬邦邦的同類,柔軟的機器人們更能夠適應複雜環境,帶來更多應用潛能。

經典的機器人形像大多讓人感覺十分冰冷,因此,電影《大英雄天團》中柔軟的充氣機器人杯麵給觀眾們留下了不一樣的溫暖感覺。而現在,柔軟的「充氣」機器人也走進了現實世界。

近日,哈佛大學的研究團隊就向大家展示了他們的最新研究成果:一款章魚形狀的完全柔性機器人,暱稱“Octobot” [1]。這款機器人全身都由軟軟的柔性材料構成,不需要外接動力,自己就能動起來。相關論文於8月24日發表於《自然》期刊。

原影片來自:Harvard University 15倍速回放

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科學家們究竟為什麼要讓機器人「軟下來」?柔軟的機器章魚又該如何運動呢?

柔軟的新潛能

傳統的機器人大多是剛性材料製成的,而現在,科學家們也逐漸開始研發那些身體柔軟的機器人了。相比那些硬邦邦的同類,柔性機器人有很多自己的優勢:比如說,它們軟軟的身體有很大變形空間,這樣更能夠適應各種環境,在受到一定外力衝擊時也不會壞掉,而且它們未來還可能可以穿過狹小、不規則的空間,這在醫療、軍事以及探測領域都能派上用場。

柔性機器人的設計靈感大多來自自然界的「柔軟」生物,魷魚、章魚、蠕蟲等動物都是科學家們模仿的對象。柔性材料可以實現機器人的伸長、擠壓、攀爬等高難度動作。例如,之前有仿真章魚的柔性機械手臂能夠伸長,模仿毛毛蟲的柔性機器人則能滾能跳。

不過,之前的那些柔性機器人作品還有個缺點:這些機器人有著柔軟的肢體,但控制系統仍然用常規的泵閥系統來實現,透過剛性連接來驅使不同類型的運動,並且還得靠電纜連接到機器人,還沒有做到完全柔軟、靈活。

而這次的機器小章魚Octobot則是真正的完全柔軟。它不需要剛性材料,也不需要外接電源,具備了柔軟,自由,靈活等諸多優點。

Octobot比過去的柔性機器人更加柔軟。/ 圖片來自:Michael Wehner et al.

小章魚如何動起來?

Octobot不需要電力,它的運動依靠一個簡單的化學反應:過氧化氫分解。作為「燃料」的過氧化氫遇到鉑催化劑,分解產生水和氧氣。

過氧化氫分解產生的氣泡推動了機器章魚的運動。/ 原影片來自:Harvard University

隨著氧氣增多,柔性控制器內壓強(單位面積上所受壓力強度)加大,就會打開一些微閥門,關上另一些微閥門,在這個過程中章魚機器人的四條腕足充滿氧氣,在這些氧氣的驅動下,章魚的腕足就會變形運動。當微流體系統切換時,章魚的另外四條腕足則會進行同樣的變形運動,二者交替,機器人就動起來了。

機器章魚的內部結構。/ 圖片來自原論文。

製作成本低廉

這隻完全柔軟的機器章魚結合了注模、軟微影技術和多材料嵌入3D列印技術製成。先將預製的微流體晶片嵌入到模具中,然後傾倒入矽基材料,接著再採用3D列印技術加入其它部分的結構。管路部分採用特殊的凝膠材料「墨水」進行列印,在經過90℃加熱固化之後,它們可以自動在小章魚體內形成開放的管道網絡。催化部分也用加入催化劑的「墨水」列印加工而成。

3D列印製作機器章魚的內部結構。/ 原影片來自:Harvard University

Octobot 的微流體晶片由3D列印的微管道網絡構成。當前這個版本還沒有開關。研究人員表示,將來可能會為它加上開關,並安裝更複雜的控制器和傳感器。有了傳感器以後,機器人就能感知周圍的環境並作出相應的反應。下一步想要實現的是在水中可以游泳,山地可以爬坡的升級版Octobot。

柔性機器章魚中的控制部件示意圖。紅色的通路和藍色的通路分別對應不同的兩組柔性腕足(每組四條),通過不同的閥門控制進行動作的切換。/ 圖片來自原論文。

研究人員表示,單個Octobot 所用的全部材料加起來還不到三美元,低廉的成本加上卓越的性能,預期未來改進後的柔性機器人將拓展機器人在人類社會中扮演的角色,改變機器人與人類的互動體驗。到時候,當你擁抱這種柔性機器人的時候,說不定也會更有杯麵的感覺。

參考資料:

Michael Wehner, Ryan L. Truby, Daniel J. Fitzgerald, et al. An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature 536, 451–455 (25 August 2016) doi:10.1038/nature19100

撰文:漫科普

編輯:窗敲雨

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