極端環(huán)境下的機(jī)器人研究又有新進(jìn)展——地下挖洞軟體機(jī)器人登場(chǎng)
據(jù)外媒報(bào)道,有研究人員提出了新的在顆粒介質(zhì)中挖掘的動(dòng)力學(xué)理解,結(jié)合關(guān)鍵結(jié)果設(shè)計(jì)出一款帶有尖.端延伸噴氣裝置的管狀機(jī)器人,控制地下的相互作用力來(lái)實(shí)現(xiàn)快速、可控的三維挖掘。
▍軟體機(jī)器人地下挖掘面臨阻力和升力
機(jī)器人非常適合在極.端環(huán)境下使用,如太空、海底或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)?,F(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)可以上天下海,并且在陸地上進(jìn)行各種自.由活動(dòng)。然而,機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的一個(gè)前沿領(lǐng)域仍未被探索,那就是地下。
讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng),非常大挑戰(zhàn)是其所涉及到的各種力,空氣和水對(duì)于穿過(guò)它們的物體阻力很小,但是進(jìn)入地下世界就是另一回事了。如果你試圖鉆進(jìn)地下,就必.須將土壤、沙子或其他介質(zhì)都推開(kāi)。
在地下運(yùn)動(dòng)很困難,部分原因是土壤和顆粒介質(zhì)產(chǎn)生的阻力不僅比空氣或水產(chǎn)生的阻力大幾個(gè)數(shù)量級(jí),還存在一種不同類型的升力。現(xiàn)有挖掘方法大都依賴于大型機(jī)械裝置,這些裝置具有堅(jiān)硬和巨大的部件,常規(guī)方法如螺旋鉆機(jī)、液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)、隧道鉆機(jī)等有效的克服了這些力;但是大型裝置的挖掘方式并不適合小型、微創(chuàng)機(jī)器人。機(jī)器人挖掘地下方面還面臨很多挑戰(zhàn)。
研究人員從地下空間活動(dòng)的植物和動(dòng)物身上汲取靈感,開(kāi)發(fā)出了一種快速、可控的軟體機(jī)器人,這款機(jī)器人目前成功實(shí)現(xiàn)在沙子中挖洞。此項(xiàng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在地下進(jìn)行快速、精確、小范圍運(yùn)動(dòng),還奠定了這類新型機(jī)器人的機(jī)械基礎(chǔ)。
▍自然界可替代挖洞思路
自然界在地下生長(zhǎng)延伸成網(wǎng)絡(luò)的植物和真菌為研究人員提供了許多地下運(yùn)動(dòng)的例子,而動(dòng)物則掌握了直接穿過(guò)顆粒介質(zhì)的能力。從機(jī)械物理角度理解植物和動(dòng)物如何掌握地下運(yùn)動(dòng)能力,為科學(xué)和技術(shù)開(kāi)辟了許多可能性。
研究不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游動(dòng)和挖掘原理得出的發(fā)現(xiàn),可以用來(lái)開(kāi)發(fā)新型機(jī)械和機(jī)器人。反過(guò)來(lái),開(kāi)發(fā)具有這種能力的機(jī)器人可以促進(jìn)新的動(dòng)物研究,以及顆粒基質(zhì)物理學(xué)中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。
新研發(fā)的這款藤蔓狀軟體機(jī)器人模仿了植物其他部分保持靜止情況下,根部尖.端生長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)的方式。在地下環(huán)境中,尖.端生長(zhǎng)保持較低的阻力,但僅局限于生長(zhǎng)端;如果整個(gè)機(jī)器人身體隨著“長(zhǎng)大”而移動(dòng),介質(zhì)表面的摩擦力會(huì)隨著機(jī)器人更多部分進(jìn)入沙子而增加,直到機(jī)器人不再移動(dòng)。
▲策略1:尖.端延伸
穴居動(dòng)物啟發(fā)了另一種稱為顆粒流化的策略,該策略是將顆粒轉(zhuǎn)化成類似懸浮流體的狀態(tài),使動(dòng)物能夠克服沙子或松散土壤帶來(lái)的高阻力。例如,章魚會(huì)向地下噴射一股水流,然后用它的觸手將自己拉入暫時(shí)松動(dòng)的沙子中。研究人員在機(jī)器人上安裝了一種基于尖.端的流動(dòng)裝置,該裝置將空氣噴射到尖.端之前的區(qū)域,使機(jī)器人能夠進(jìn)入該區(qū)域。
▲策略2:空氣流體
研發(fā)過(guò)程中遇到的大挑戰(zhàn)是切換到機(jī)器人在水平方向上挖洞時(shí),機(jī)器人總是會(huì)浮出來(lái)。盡管氣體或液體可以均勻的在對(duì)稱物體的上方和下方產(chǎn)生流動(dòng),但在流化沙中,力的分布并不平衡,并且對(duì)水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人產(chǎn)生了顯著的上升力。將沙子推開(kāi),比將其壓實(shí)要容易得多。
為了了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況和探究空氣輔助進(jìn)入的大部分未知物理特性,該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了機(jī)器人從水平方向推入沙子,其尖.端實(shí)心棒附近流入的不同角度氣流導(dǎo)致的阻力和升力。
顆粒材料中產(chǎn)生的摩擦力與牛頓流體中產(chǎn)生摩擦力有很大不同,因?yàn)橛捎诟吣Σ亮?,機(jī)器人進(jìn)入沙子,會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上壓實(shí)和擠壓大片空間。為了緩解這種情況,一種將顆粒物體提升和推開(kāi)的低密度流體通常會(huì)減少機(jī)器人需要克服的靜摩擦力。
與氣體或液體不同,向下的流體噴射會(huì)為移動(dòng)的物體產(chǎn)生升力,而在沙子中,向下的氣流降低了升力,機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在延伸出的尖.端下方挖洞。結(jié)合從沙漠蜥蜴那獲得的靈感,類似沙漠蜥蜴楔形的頭部有利于機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng),使研究人員能夠調(diào)節(jié)阻力并保持機(jī)器人水平移動(dòng)而不會(huì)從沙子中浮出。
▲策略3:不對(duì)稱氣流噴射設(shè)計(jì)
▍氣動(dòng)尖.端延伸助力機(jī)器人快速挖洞
三種機(jī)器人挖掘策略效果都很明顯:
采用尖.端延伸設(shè)計(jì)可以減少機(jī)器人所受阻力。軟體機(jī)器人和剛性材料機(jī)器人在相同類型的沙子表面向下挖洞時(shí),其前端阻力相同,但軟體機(jī)器人的接觸阻力較少,可以實(shí)現(xiàn)高速挖洞。
局部顆粒流化減少阻力。軟體機(jī)器人從尖.端噴射氣流后,降低了穿過(guò)干燥沙子的阻力,并且機(jī)器人受到的阻力與進(jìn)入深度非線性比例增長(zhǎng),而隨著噴射氣體流速增加會(huì)大致比例減少。
而不對(duì)稱的向下氣流可以控制機(jī)器人受到的升力。在大多數(shù)噴射氣流角度下,增加氣流會(huì)降低沙子帶來(lái)的升力。但是比較出乎意料的是不論氣流大小,在30度方向噴射氣流角度時(shí),機(jī)器人受到的升力zui大。
新款軟體機(jī)器人在長(zhǎng)、淺、定向挖洞方面有更好的性能。像這樣的小型探索性軟體機(jī)器人具有多種應(yīng)用,可以完成需要在干燥的顆粒介質(zhì)中進(jìn)行表層挖洞的事情,例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和防侵蝕控制。
機(jī)器人控制尖.端延伸方向并調(diào)節(jié)它在介質(zhì)中錨定的牢固程度,這種控制對(duì)于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。未來(lái)的某一天,這款軟體機(jī)器人在月球甚至更遠(yuǎn)的天體上開(kāi)發(fā)挖洞技術(shù)也未可知。
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