近日，巴塞羅那科技大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種基于骨骼肌的生物混合型軟體機(jī)器人。在爆發(fā)模式下，該機(jī)器人一秒鐘就能游出自己 3 倍身長(zhǎng)的距離。

該研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)表于 Science 子刊 Science Robotics 上的論文中，描述了他們開(kāi)發(fā)和測(cè)試軟機(jī)器人的過(guò)程。

鰻魚(yú)的外表和彈簧一樣的身體

為了不斷提高軟體機(jī)器人的性能，科學(xué)家們開(kāi)始將目光投射到動(dòng)物組織一類(lèi)的“天然材料”。其中，骨骼肌和心臟肌肉的利用頗受歡迎。

不過(guò)，骨骼肌和心臟肌肉各有利弊。通常情況下，基于骨骼肌的軟體機(jī)器人靈活度較低、力度較弱。而此次西班牙研究人員通過(guò)特特殊設(shè)計(jì)克服了這兩個(gè)問(wèn)題，讓他們的仿生軟體機(jī)器人具有更高的靈活性和可變形性，并對(duì)環(huán)境具有更高的適應(yīng)性，從而使本次軟體機(jī)器人在水中能比同類(lèi)機(jī)器人游得更快。

研究人員以鰻魚(yú)為原型，為機(jī)器人設(shè)計(jì)出一個(gè)蛇形彈簧骨架，并不斷優(yōu)化它的形狀以達(dá)到更為仿真的效果。優(yōu)化后，研究人員采用了一種叫做聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的有機(jī)硅物料，通過(guò) 3D 打印將這一骨骼框架制作了出來(lái)。

據(jù)悉，該機(jī)器人身長(zhǎng)約 260 微米，在受到電刺激時(shí)可進(jìn)行移動(dòng)，其中電荷會(huì)使肌肉收縮，從而壓縮內(nèi)部的骨骼彈簧。

通過(guò)放電刺激，機(jī)器人的骨骼肌會(huì)收縮，從而可壓縮內(nèi)部骨骼彈簧，在接觸電荷刺激后，彈簧中的能量被釋放，如此便可推動(dòng)機(jī)器人前進(jìn)。

這個(gè)過(guò)程就像人們手動(dòng)壓縮彈簧再釋放一樣，只不過(guò)將動(dòng)力源從人手換成了電流，這種設(shè)計(jì)使得機(jī)器人只能在一個(gè)方向上移動(dòng)。

此外，據(jù)研究人員介紹，該仿生機(jī)器人具有兩種運(yùn)動(dòng)模式：滑行和爆發(fā)。

通過(guò)模擬在溪流中緩慢游行的小魚(yú)，機(jī)器人可以開(kāi)啟滑行模式。而在爆發(fā)模式下，軟體機(jī)器人可迅速?gòu)撵o止?fàn)顟B(tài)切換到快速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并能達(dá)到每秒 800 微米的速度，該速度比其他基于骨骼肌制作的仿生機(jī)器人要快得多。

研究員表示，目前只有基于心臟肌肌肉的仿生機(jī)器人才可比擬這種速度。他們認(rèn)為這一設(shè)計(jì)可以為其他新型混合動(dòng)力的機(jī)器人帶來(lái)更高強(qiáng)度的輸出，使得機(jī)器人在水中有更快速的移動(dòng)能力，亦或在工作中有更強(qiáng)大的表現(xiàn)力。

從水母到鰻魚(yú)：機(jī)器人“無(wú)所不仿”

幾千年以來(lái)，生物系統(tǒng)在不斷發(fā)展著其復(fù)雜的自組織機(jī)制，以此來(lái)達(dá)到感知和自我修復(fù)的目的。近年來(lái)，機(jī)器人專(zhuān)家們開(kāi)始從生物的行為中汲取靈感，不斷模仿它們的復(fù)雜行為。

材料的不斷發(fā)展，使得人們可通過(guò)仿造一些簡(jiǎn)單的生物去制備機(jī)器人。這些模擬簡(jiǎn)單生物的機(jī)器人能完成爬行、抓握等動(dòng)作。但是，合成材料制成的仿生機(jī)器人仍無(wú)法完美復(fù)刻精巧絕倫的生物體構(gòu)造，以及具有等級(jí)結(jié)構(gòu)的肌肉組織為生物帶來(lái)的高強(qiáng)度的輸出能力。

此時(shí)，“天然材料”登場(chǎng)，科學(xué)家們同時(shí)開(kāi)始混搭人造材料，發(fā)揮人造和天然的各自?xún)?yōu)勢(shì)，開(kāi)啟了混合材料的仿生機(jī)器人制造。

近年來(lái)，聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 也被用于骨骼肌仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)制作中，尤其是在模仿一些水生動(dòng)物時(shí)。這種材料無(wú)毒、不易燃、透明，具有結(jié)構(gòu)高彈性 （structural flexibility） 和疏水性 （hydrophobic），是一種惰性物質(zhì)。聚二甲基硅氧烷制作程序便捷，成本低廉，在隱形眼鏡、潤(rùn)滑劑中都有應(yīng)用。

早在 2013 年，美國(guó)科學(xué)家就研發(fā)出了一款名為 “Cyro” 的水母機(jī)器人。Cyro 是美國(guó)海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項(xiàng)計(jì)劃的研究成果。這項(xiàng)計(jì)劃共投入 500 萬(wàn)美元，旨在開(kāi)發(fā)機(jī)器人執(zhí)行水下監(jiān)視和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)任務(wù)。

“Cyro” 的名字來(lái)源于霞水母 “Cyanea capillata”，它由厚硅樹(shù)脂材料制成，摸起來(lái)會(huì)有黏糊糊的觸感，體積只有人類(lèi)的一個(gè)手掌大，約 77 公斤重，由一塊可充電的鎳氫電池提供動(dòng)力。它能獨(dú)立地在水中游動(dòng)，并對(duì)敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)和分析。據(jù)當(dāng)時(shí)媒體報(bào)道，“Cyro” 若被軍方用作水下間諜，其能力會(huì)讓 007 也自嘆不如。

Cyro 的“大腦”是位于其中部的一個(gè)控制盒，研究人員表示之后還會(huì)在它身上安裝攝影機(jī)和其他監(jiān)測(cè)設(shè)備。

此項(xiàng)研究的參與人之一、弗吉尼亞理工大學(xué)的機(jī)械工程系博士生亞歷克斯-維拉努瓦 （Alex Villanueva） 博士表示，工作人員可以事先對(duì) Cyro 進(jìn)行編程，這樣它就可以在水中按照預(yù)先設(shè)定的程序來(lái)執(zhí)行任務(wù)。

維拉努瓦博士說(shuō)道：“水母的一個(gè)巨大優(yōu)勢(shì)就是欺騙性，它們是一種你不會(huì)感到威脅的動(dòng)物。如果我看到一個(gè)機(jī)器鯊魚(yú)和一個(gè)機(jī)器水母，我一定更提防機(jī)器鯊魚(yú)，而不是機(jī)器水母。”

原文標(biāo)題：仿生軟體機(jī)器人又出新花樣：鰻魚(yú)的外表和彈簧一樣的身體

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