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“藤蔓”机器人诞生记

2022-05-19

学苑创造·C版 2022年5期
关键词:软体软管充气

嗨,造粉們,大家印象中的机器人什么样?有手有脚酷似人类?其实,机器人可以是千姿百态的,只要其形态有助于完成任务就行。本期咱们来看一款很有趣的机器人,相信其独特的设计与制造思路,能给大家不少启发——

我简单,我便宜,但我就是好用

美国斯坦福大学开发的新款软体机器人“藤蔓”,看上去跟一根管子没什么两样——实际上,其主体的确就是一根充气软管。别看“藤蔓”简单得不得了,制造材料也普普通通,一分钟就能做出一根,成本低得要命,它的应用价值却不小,甚至可以救人性命。

知识窗:软体机器人是本体采用柔软材料制作的新型机器人,区别于用金属等硬质材料制造的传统机器人。

虽然“藤蔓”只是一根细细的管子,但却有一手绝活——可以不断往前延伸。狭窄的裂缝、细小的孔洞挡不住它;尖利的钉子、玻璃,粘力强劲的胶水、粘蝇板,阻止不了它勇往直前;车轮会陷入的泥沼或打滑的冰面,它照样运动无碍。

因此“藤蔓”可深入人类或其他机器人难以到达的地方,携带摄像头等传感器和其他工具,执行各种任务,比如在地震、车祸等环境复杂的灾难现场搜救遇难者,参与考古挖掘、太空探索等。

救援人员和大型机械进不去的建筑废墟,“藤蔓”却畅行无阻。由于它很便宜,一次出动几百条也不成问题。它可以携带传感器传输图像、定位遇难者,也可以直接掀开重物救人

还有一个特别有趣的应用值得一提:为呼吸困难的病人插管。传统的气管插管要先将喉镜插入病人咽喉,用目视方式找到气管,再将呼吸管插入,即使是训练有素的医护人员也需要花上好几分钟,并小心翼翼地控制力度。而使用微型“藤蔓”,任何人都能秒插好管。这是因为气体有流动性,会自动向阻碍小的地方运动,所以即使不知道前方情况,充气软管也能自动找到通路。这是一个很好的被动智能的例子。

灵感来自藤蔓

软体机器人的设计通常是模仿自然界各种生物,如蚯蚓、章鱼、水母等。“藤蔓”模仿的不用说,是藤蔓。

它的开发者之一、机械工程助理教授埃利奥特·霍克斯,在办公室里种有一根藤蔓。看着藤蔓柔软的卷须不断长长,盘绕架子,自动寻找并伸向阳光,霍克斯觉得很了不起,他思考:有没有办法能让机器人做到这一点,朝着固定目标不断“生长”?

植物藤蔓生长时其他部分并没有移动,只有尖端在延伸,“藤蔓”机器人模仿了这一特点。植物通过细胞的增多,使得体积和长度增加来实现尖端的延伸,机器人没有细胞,但同样可以增加体积和长度,一个简单的方法就是充气。压缩空气进入密封的软管里,将管子内部折叠卷曲的材料展开并推动其往外翻,这样一来管子就一点点伸长,好像生长一样。

除了自行“生长”,这个绝妙的设计还有许多很棒的特质:空气+软管的组合够软,也够灵活,又强韧有力,空间再狭小、路径再曲里拐弯,也能活动自如;折叠外翻的构造则无惧黏合剂的“封锁”,即使外层被粘住,内层也不受影响;就算管子被尖钉利刺扎穿,通过提高气压,依然能推动尖端伸展;更妙的是,管子不同部分大小可以不一样,根据“压力=压强×接触面积”,大的部分能够产生惊人的力量,轻松推开或举起重物,清障救人,同时始终保持柔软,避免二次伤害。

当然,只有一根管子还不能算机器人,因此还要对“藤蔓”进行完善。

首先是给它添加“感官”,也就是安装摄像头等传感器。摄像头可以用尾帽固定在主体前端,由管子从后面推着前进;或装在一个外部框架上,这个框架与内部框架相连,实际上是在管子的受压部分像过山车的轮子一样绕着轨道走,这样可防止摄像头随着机器人的延伸而脱落。

再就是添加“肌肉”,实现主动操控。方法也很简单有趣:软管总是会朝较短的一侧弯曲,所以只要想办法使一侧比另一侧短,就能让管子转向。“藤蔓”的主体软管上粘有另外三条管子,它们用尼龙纤维按斜45°方向织成,各自连着一台气泵,就像人工肌肉一样。用气泵给其中一条管子加压,它会横向膨胀,使得长度相对缩短,于是主体软管就朝向这一侧弯曲。通过减小或增大气压,三条“肌肉”伸长缩短相互配合,“藤蔓”机器人就能实现灵活拐弯、转向,甚至像真正的藤蔓一样弯曲缠绕。

新型机器人“藤蔓”的开发过程介绍完了,它的巧妙设计能不能拓展你对机器人的认识?它的构造那么简单,用身边的材料就能制造,你不妨动手试试,或许能为它找到更多的新用途呢。

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