新型柔性機器人：像藤蔓一樣生長，可用於災害救援！

導讀

最近，斯坦福大學的機械工程師們發明了一種新型柔性機器人，它受到了自然生物例如藤蔓、真菌和神經細胞的啟發，能夠通過生長到達很遠的距離。這種機器人可應用於搜尋、救援和醫療設備等領域。

關鍵字

機器人、醫療、搜救

背景

地震等災害發生後，救援人員需要在倒塌的建築廢墟中搜尋受困者。這項工作十分艱巨而複雜。一般來說，開展搜救的方法往往是通過手工或者機械挖掘廢墟，和通過搜救犬的嗅覺尋找生命跡象。

然而，自從有了機器人技術，人們開始考慮採用機器人去完成危險而艱巨的搜救任務。之前，筆者也曾在多篇文章中介紹過用於災害搜救的各種機器人方案。

創新

最近科學家們發明了一種新方案：他們採用了一種密閉的小型圓柱體，只需將此設備放置於廢墟入口處，簡單撥動開關即可展開救援。該圓柱體的一端會產生出一種藤蔓狀的物體，延伸至石土堆中，它類似於一種快速爬升的攀緣植物。有一個攝像頭，位於這種藤蔓狀物體一端的尖端處，使得搜救人員能夠看到廢墟下方的地方，一般來說這些地方是他們無法到達的。

（圖片來源於：L.A. Cicero/Stanford News Service）

以上的介紹只是這種新型機器人的一項應用而已。最近，斯坦福大學的機械工程師們發明了這種新型機器人，並於7月19日在《科學機器人》雜誌上發表了論文。這種機器人受到了自然生物例如藤蔓、真菌和神經細胞的啟發，能夠通過生長到達很遠的距離。研究人員對於這種可生長的柔性機器人進行概念驗證，並且對其開展了一些頗具挑戰性的測試。

（圖片來源於：L.A. Cicero/Stanford News Service）

這篇論文的高級作者、機械工程教授 Allison Okamura 解釋道：

「從根本上說，我們嘗試理解這種新方法的基本原理，從原理中獲取移動或者運動能力。這種方式與動物或者人類到處走動的方式大不相同。」

為了研究這種機器人到底能夠做些什麼，研究小組創造出一些機器人原型，它們能夠穿越各種障礙物，朝目的地前進，最後生長成為一種獨立結構。

技術

• 原理

這種機器人背後的設計理念相當簡單明了。它是一種管狀的柔性材料，可在自身內部摺疊，如同一個襪子從裡面翻到外面。當位於管子前面的材料外翻時，它沿著一個方向生長，就像管子的正面朝外翻一樣。這些原型使用的材料是廉價的薄塑料。當科學家們向靜止的一端注入壓縮空氣時，機器人身體向外翻。在其他的機器人原型版本中，可用液體取代壓縮空氣。

（圖片來源於：斯坦福大學）

這種機器人的附屬結構包括：一個控制系統，它能為身體充氣，控制機器人向左或者向右；一個軟體系統，它能基於機器人尖端的攝像頭採集的圖像，進行方向決策。

（圖片來源於：斯坦福大學）

（圖片來源於：斯坦福大學）

讓這種機器人變得非常有用的設計是其尖端在運動，而不是身體在運動。論文的領導作者、加州大學聖塔芭芭拉分校的助理教授 Elliot Hawkes 解釋說：

「機器人身體隨著材料從一端延伸而延伸，而身體的其他部分不動。身體可能會粘住周圍環境，或者卡在瓦礫之間，但是這並不會阻止機器人運動，因為只要在一端加入新材料，它的尖端可以繼續運動。」

（圖片來源於：斯坦福大學）

• 測試

為了研究這種讓機器人從一處移動到另外一處的運動方式有什麼好處，研究人員進行了幾種測試。例如，讓它通過粘蠅紙、膠水、釘子等障礙物生長以及爬上冰牆釋放一個感測器，該感測器用於感知受困的倖存者所呼出的二氧化碳。儘管這種機器人可能會被釘子刺穿，刺穿的區域無法繼續移動，因而在釘子的上方保持自封閉，但是它還是成功完成了這項任務。

（圖片來源於：斯坦福大學）

（圖片來源於：斯坦福大學）

在其他的演示中，這種機器人可以舉起100公斤的箱子，在只有它直徑10%的門縫下生長，以及將自身盤旋形成獨立結構，然後發出無線電信號。這種機器人也可以通過天花板上的空間，這說明它作為機器人，能夠通過未知的障礙物，在牆體中、道路下和管道內活動。更進一步說，它在跌落的天花板上生長的時候，可以通過它的身體拉出一根線纜，從而提供了一種在狹小空間布線的新方案。

（圖片來源於：斯坦福大學）

（圖片來源於：斯坦福大學）

價值

研究人員稱，這種機器人具有廣泛的用途，特別是在搜尋、救援和醫療設備領域。Okamura 實驗室的研究生、論文的合著者之一 Laura Blumenschein 說：

「我們關注的是機器人通過惡劣環境的那些應用，這些環境具有不可預知性，且具有未知空間。如果你將這種機器人放到這些環境中，它的行動將不受障礙物的影響，你也無需擔心它在探索時發生損壞或者卡住。」

這種柔性機器人的主要優勢就是：它比堅硬的剛性機器人更加安全。因為它們不僅是柔軟的，而且也是輕量的。這種設計對於機器人離人很近的情況下特別有用。另外一個好處，就這個機器人而言，就是它是柔性的並且可以按照複雜的路徑前進。然而，這一點也帶來了一些挑戰。

Okamura 實驗室的研究生、論文的合著者之一 Joey Greer 稱，控制這種機器人需要對它的運動進行精準建模，這一點對於柔性機器人來說很困難。相比而言，剛性機器人的建模和控制要容易得多，但是對於需要靈活性和安全性的情況，剛性機器人無法派上用場。Greer 說：

「而且，使用攝像頭引導機器人通向目標是一個難題，因為攝像頭要以拍攝圖像的速率，對圖像進行處理。為了控制柔性機器人，需要設計一個既快速運行又精準產生結果的演算法，這帶來了許多工作。」

未來

科學家通過手工構造這個機器人原型，並且通過氣動的空氣壓力驅動它。未來，研究人員想要創造能進行自動製造的機器人版本。未來的版本也將使用液體生長，這將為受困於狹小空間的人們提供水，或者在封閉的房間中滅火。研究人員人員也將開發更加堅韌的材料，例如超強防撕的尼龍和凱夫拉。

研究人員也希望讓機器人按比例變得放大或者縮小，以觀察它的性能。他們創造了一個1.8毫米的版本，並且相信這種可生長的小型機器人能夠推進醫療流程。這種柔性機器人可以在管子通過人體的地方生長，而不會拉拽細微結構。

參考資料

【1】http://news.stanford.edu/press/view/15542

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