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全球首個全軟體機器人問世:無需電力便可運動

                                                                           2016-08-28

 

  機器人不再硬邦邦:這款3D打印出來的機器人,全使用柔性材料,外形酷似章魚,無需電力便可自主運動,材料成本還不到3美元。

  當地時間8月24日,通過《自然》雜志的一篇學術文章,來自哈佛大學威斯生物工程研究所的全軟體機器人“Octobot(章魚機器人)”,向世人宣告了它的誕生。該文的通訊作者是哈佛大學的工程師Robert Wood和Jennifer Lewis,在他們的描述中,Octobot是一只僅手掌大、各個構件都不使用硬性材料的自動機器人。

  Robert Wood表示,“和一般的電子回路相比,我們在回路中傳遞的不是電子,而是液體和氣體。”由矽橡膠制成的Octobot不靠電來驅動,而是通過化學反應產生的大量氣體聚集壓縮,借助壓強變化,實現機械臂的運動。

  一直以來,災險救援、極端環境探測都是人類研發機器人的重要應用場景,但傳統機器人的剛性材料經不起撞擊,反而在未知的複雜環境中“拖後腿”。如果把機器人的材料替換成柔性的,就可以讓機器人更好地適應外部環境。

  早在2011年的時候,該文的第一作者、哈佛大學助理研究員Michael Wehner就已經帶領著他的團隊探索全柔性機器人。當時他們想的是用常規的泵閥系統來驅動機器人,並且需要電纜連接機器人,這意味著這只是一個半柔性機器人。當時橫亙在科學家面前的難題是,如何將電池和回路用柔性材料代替。

  5年後,Octobot才成為世界上首個全軟體機器人。Wehner團隊從章魚身上找到靈感,不僅機器人的軀幹和致動器是柔性材料,連控制系統和電源也使用柔性材料,無需再受外置電纜的牽制。

  賦予這只全軟體機器人“自由”的是化學反應。

  據《自然》雜志特約作者Helen Shen介紹,Octobot的“大腦”部分是柔性微流體回路,可以用由壓強激活的閥門和開關,在通道內傳導液體燃料。這種液體燃料是50%濃度的過氧化氫溶液,它會在鉑的催化下快速生成大量的水和氧氣,生成物的體積比原本的反應物大,從而改變通道內的壓強。章魚機器人的機械臂受到突然增大的壓強影響,會膨脹舒展,從而實現機械臂的運動。排氣孔同時保證氧氣最終會通過排氣孔排出。

  50%質量比的過氧化氫在鉑金屬粉末的催化下迅速釋放氧氣。來源:DeepTech深科技。

  但如何保證章魚機器人能保持一段時間而不是一次性的自主運動?研究團隊的設計是把機器人的八只機械臂分為兩批(四只機械臂為一批),機械臂中設置了閥門和開關。啟動Octobot需要實驗者的協助,將過氧化氫分別注入到兩個儲液槽中,這兩個儲液槽分別對應一批機械臂。注入後,儲液槽會像氣球一樣會慢慢膨脹,並利用壓強差將過氧化氫通過微流體回路。這時,由於壓強的變化,有些機械臂的控制點會打開,剩餘的會關閉,以此確保同一時間只有一半機械臂流通燃料。隨著燃料的消耗,所流通的機械臂內部壓強會下降,使得燃料轉而流向另半部分原本關閉通道的機械臂。如此往複,通過精巧的閥門開關設計,利用不斷變化的壓強差,燃料進行來回流通,Octobot能保持機械臂在一段時間內的自主運動。

  通過Octobot的工作機制可以看到,它內部的通道扮演著重要的角色,是它的“大腦”和機械臂進行“通信”的渠道。這些通道都由3D打印而成,打印過程也很有趣。研究者們在章魚形狀的模具中倒入了有機矽聚合物,又在聚合物中注入一種特殊的墨水,這種墨水可以在聚合物中保持形狀和位置。加熱後,墨水會蒸發,留下了Octobot內部的通道網絡。制造Octobot的材料成本也很低,只需不到3美元,每份燃料大約僅5美分,這讓大規模應用免去對高成本的顧慮。

  但目前而言,Octobot還沒有達到它的最佳狀態,需要繼續改善。一次添加的燃料(1毫升)只能維持章魚機器人大約4-8分鍾的“生命”。就自主運動而言,也比較單一,還無法實現自主轉向。

  該項目的領導者之一Robert Wood也表示,Octobot目前還沒有專門為一項操作任務進行設計,只是作為一種技術的展示。後續,微流體回路會升級得更為精密複雜,從而確保Octobot能更持久地運動,再搭配恰當的肢體動作,實現更複雜的操作。

  除此之外,為了更好適用於複雜的應用場景,Octobot可能還需要將微流體回路和柔性傳感器結合,讓全軟體機器人更智能。

 

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