近日，巴塞羅那科技大學(xué)的研究人員開發(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 倍身長的距離。

該研究團(tuán)隊在發(fā)表于 Science 子刊 Science Robotics 上的論文中，描述了他們開發(fā)和測試軟機(jī)器人的過程。

鰻魚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)家們開始將目光投射到動物組織一類的“天然材料”。其中，骨骼肌和心臟肌肉的利用頗受歡迎。

不過，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特特殊設(shè)計克服了這兩個問題，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機(jī)器人游得更快。

研究人員以鰻魚為原型，為機(jī)器人設(shè)計出一個蛇形彈簧骨架，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 3D 打印將這一骨骼框架制作了出來。

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

通過放電刺激，機(jī)器人的骨骼肌會收縮，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，如此便可推動機(jī)器人前進(jìn)。

這個過程就像人們手動壓縮彈簧再釋放一樣，只不過將動力源從人手換成了電流，這種設(shè)計使得機(jī)器人只能在一個方向上移動。

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

通過模擬在溪流中緩慢游行的小魚，機(jī)器人可以開啟滑行模式。而在爆發(fā)模式下，軟體機(jī)器人可迅速從靜止?fàn)顟B(tài)切換到快速運(yùn)動狀態(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)計可以為其他新型混合動力的機(jī)器人帶來更高強(qiáng)度的輸出，使得機(jī)器人在水中有更快速的移動能力，亦或在工作中有更強(qiáng)大的表現(xiàn)力。

從水母到鰻魚：機(jī)器人“無所不仿”

幾千年以來，生物系統(tǒng)在不斷發(fā)展著其復(fù)雜的自組織機(jī)制，以此來達(dá)到感知和自我修復(fù)的目的。近年來，機(jī)器人專家們開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，使得人們可通過仿造一些簡單的生物去制備機(jī)器人。這些模擬簡單生物的機(jī)器人能完成爬行、抓握等動作。但是，合成材料制成的仿生機(jī)器人仍無法完美復(fù)刻精巧絕倫的生物體構(gòu)造，以及具有等級結(jié)構(gòu)的肌肉組織為生物帶來的高強(qiáng)度的輸出能力。

此時，“天然材料”登場，科學(xué)家們同時開始混搭人造材料，發(fā)揮人造和天然的各自優(yōu)勢，開啟了混合材料的仿生機(jī)器人制造。

近年來，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物時。這種材料無毒、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、潤滑劑中都有應(yīng)用。

早在 2013 年，美國科學(xué)家就研發(fā)出了一款名為 “Cyro” 的水母機(jī)器人。Cyro 是美國海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項計劃的研究成果。這項計劃共投入 500 萬美元，旨在開發(fā)機(jī)器人執(zhí)行水下監(jiān)視和海洋環(huán)境監(jiān)測任務(wù)。

“Cyro” 的名字來源于霞水母 “Cyanea capillata”，它由厚硅樹脂材料制成，摸起來會有黏糊糊的觸感，體積只有人類的一個手掌大，約 77 公斤重，由一塊可充電的鎳氫電池提供動力。它能獨(dú)立地在水中游動，并對敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲和分析。據(jù)當(dāng)時媒體報道，“Cyro” 若被軍方用作水下間諜，其能力會讓 007 也自嘆不如。

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

此項研究的參與人之一、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 Cyro 進(jìn)行編程，這樣它就可以在水中按照預(yù)先設(shè)定的程序來執(zhí)行任務(wù)。

維拉努瓦博士說道：“水母的一個巨大優(yōu)勢就是欺騙性，它們是一種你不會感到威脅的動物。如果我看到一個機(jī)器鯊魚和一個機(jī)器水母，我一定更提防機(jī)器鯊魚，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：鰻魚的外表和彈簧一樣的身體

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