高科技超級間諜——網眼蠕蟲機器人

當你想起一種在未被發現的情況下爬進任何空間的高科技超級間諜時，腦海中浮現出來的第一印象不太可能是蚯蚓吧？但美國波士頓市麻省理工學院的研究人員宣稱，事實上，蚯蚓可能是幫助他們解決許多機器人問題的鑰匙。

蚯蚓通過交替推擠和拉伸全身肌肉在地上爬行，用波浪狀的收縮運動向前移動。蝸牛和海參也用這種稱作「蠕動」的機制四處走動。我們人類的胃腸道也有類似運動，通過推擠食道沿線的肌肉，把食物推到胃中。

現在，美國麻省理工學院、哈佛大學和韓國首爾國立大學研究人員設計出一種模仿蠕動機制的機器人。它靠蠕動移動，通過收縮身體體節，在各種表面上爬行，看起來更像一條蚯蚓。這種幾乎全用軟材料製造的機器人有很強的彈力。即使被踩到或用鐵鎚重擊，它也不會受傷，仍會繼續向前緩慢移動。

麻省理工學院機械工程系助理教授桑巴伊-吉姆表示，這樣一種軟體機器人有多種用途，例如通過崎嶇地形或鑽進稠密空間等。由於組成它身體的彈性管子是網眼狀，於是科學家給它取名「網眼蠕蟲」機器人。

研究人員用由鎳和鈦製成的金屬線製造「人造肌肉」。鎳鈦是一種藉助熱度可自由收縮的形狀記憶合金。他們把這種金屬線纏在管子周圍，製造出網眼蠕蟲身體的體節，它們看上去更像是一條蚯蚓的體節。然後，這些研究人員用一股小電流給金屬線體節充電，推擠網眼管子，推動機器人向前移動。最近，這個科學小組在《美國電氣與電子工程師協會和美國機械工程師協會機械電子學彙報》雜誌上發表了有關這項設計的詳細內容。

在過去數十年內，許多機器人專家尋找方法設計軟機器人系統。這種構件不易碎的小型軟體機器人有望被用於探索難以接觸的空間和穿越崎嶇不平的地形等多個領域。柔軟外部還能使它們在人機互動中確保安全。

軟機器人的一個重大挑戰是設計為這類機器人提供動力的軟制動器。一種解決方案是將壓縮空氣泵入機器人體內，使其運動。但吉姆指出，空氣制動機器人需要體積很多大的泵。他說：「把微型空氣壓縮機和小型自治機器人結合在一起是個挑戰。」

人造肌肉來自一種奇特材料。吉姆和他的同事為尋找設計思路研究了蚯蚓。他們發現，蚯蚓由兩個主要肌肉組織構成，一個是環繞在管狀身體周圍的圓形肌肉纖維，另一個是沿身體運動的縱向肌肉纖維。這兩種肌肉組織必須同時發揮作用，才能使蚯蚓移動。這個科學小組目前打算用相同技術設計一種類似系統，它不僅柔軟，還以蠕動驅動。

研究人員先通過捲起和熱封一張聚合物網眼製造出一個管狀身體。這種由相互交織的聚合物纖維製成的網眼材料使管子伸展和收縮，它的運動類似於彈簧。然後，他們研究了製造人工肌肉的方法，最後決定使用鎳鈦合金。吉姆說：「這是一種非常奇怪的材料。根據鎳鈦比例，它的運動就會發生明顯變化。」

高於一定溫度，這種合金就會保持一種稱作奧氏體的狀態。奧氏體是一種彈簧恢復原狀時出現的有規律的定向結構。即使彈簧發生嚴重彎曲，也會在奧氏體作用下恢復原樣。但低於一定溫度，鎳鈦合金就會變成馬氏體狀態。這是一種更柔軟的結構，就像曲別針一樣，即使發生彎曲也會保持一定形狀。

在對軟體機器人進行的極限試驗中，科學家使這種機器人遭受多種極端情形，例如用鐵鎚重擊甚至用腳猛力踩等，以便檢查它的耐久性。雖然受到這些劇烈打擊，這種機器人卻倖存下來，在未受損傷的情況下繼續爬行。吉姆表示：「你可以扔它，它卻不會崩潰。大多數機械零件不僅很硬，還易碎。但網眼蠕蟲機器人的構件都由纖維製造，擁有非常強的韌性。它們的肌肉是柔軟的，身體也是柔軟的。我們正開始展示一種非同尋常的身體變形能力。」

路易斯-克拉克學院生物學教授凱勒-奧特姆通過設計軟機器人研究了動物運動的生物力學。他表示：「像網眼蠕蟲一樣的機器人可用於多個領域，例如新一代內窺鏡、移植物和彌補術等。雖然這種機器人的身體比一條真正的蠕蟲更簡單，只有少數體節，但好像有非常顯著的運動能力。我預測，在今後10年中我們會在許多產品中見到改變形狀的人造肌肉，例如手機、攜帶型電腦和汽車等。」這項新研究得到美國國防高級研究計劃局的支持。

網眼蠕蟲機器人的運作原理：

研究人員製造了一種緊密盤繞的鎳鈦合金金屬線，然後將其纏擾在網眼管周圍，使其模仿蚯蚓的圓形肌肉纖維。接著，他們把一個小電池和電路板安裝在這個管子中，這樣就可以通過電流給這條充當身體體節的金屬線加熱。體節達到一定溫度時，金屬線就會收縮，推擠管子，推動機器人向前移動。

吉姆和他的同事研發出安全控制金屬線加熱和降溫以及機器人在各種表面上移動的規則系統。這個科學小組還為這種機器人配備了沿整個身體運動的金屬線，它們類似於蚯蚓的縱向肌肉纖維。加熱時，一條金屬線就會收縮，拉動機器人左右運動。

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