逍遥学能 2017-08-15 11:35
北京时间8月20日消息，当你想起一种在未被发现的情况下爬进任何空间的高科技超级间谍时，脑海中浮现出来的第一印象不太可能是蚯蚓吧？但美国波士顿市麻省理工学院的研究人员宣称，事实上，蚯蚓可能是帮助他们解决许多机器人问题的钥匙。
蚯蚓通过交替推挤和拉伸全身肌肉在地上爬行，用波浪状的收缩运动向前移动。蜗牛和海参也用这种称作“蠕动”的机制四处走动。我们人类的胃肠道也有类似运动，通过推挤食道沿线的肌肉，把食物推到胃中。
现在，美国麻省理工学院、哈佛大学和韩国首尔国立大学研究人员设计出一种模仿蠕动机制的机器人。它靠蠕动移动，通过收缩身体体节，在各种表面上爬行，看起来更像一条蚯蚓。这种几乎全用软材料制造的机器人有很强的弹力。即使被踩到或用铁锤重击，它也不会受伤，仍会继续向前缓慢移动。
麻省理工学院机械工程系助理教授桑巴伊-吉姆表示，这样一种软体机器人有多种用途，例如通过崎岖地形或钻进稠密空间等。由于组成它身体的弹性管子是网眼状，于是科学家给它取名“网眼蠕虫”机器人。
研究人员用由镍和钛制成的金属线制造“人造肌肉”。镍钛是一种借助热度可自由收缩的形状记忆合金。他们把这种金属线缠在管子周围，制造出网眼蠕虫身体的体节，它们看上去更像是一条蚯蚓的体节。然后，这些研究人员用一股小电流给金属线体节充电，推挤网眼管子，推动机器人向前移动。最近，这个科学小组在《美国电气与电子工程师协会和美国机械工程师协会机械电子学汇报》杂志上发表了有关这项设计的详细内容。
在过去数十年内，许多机器人专家寻找方法设计软机器人系统。这种构件不易碎的小型软体机器人有望被用于探索难以接触的空间和穿越崎岖不平的地形等多个领域。柔软外部还能使它们在人机互动中确保安全。
软机器人的一个重大挑战是设计为这类机器人提供动力的软制动器。一种解决方案是将压缩空气泵入机器人体内，使其运动。但吉姆指出，空气制动机器人需要体积很多大的泵。他说：“把微型空气压缩机和小型自治机器人结合在一起是个挑战。”
人造肌肉来自一种奇特材料。吉姆和他的同事为寻找设计思路研究了蚯蚓。他们发现，蚯蚓由两个主要肌肉组织构成，一个是环绕在管状身体周围的圆形肌肉纤维，另一个是沿身体运动的纵向肌肉纤维。这两种肌肉组织必须同时发挥作用，才能使蚯蚓移动。这个科学小组目前打算用相同技术设计一种类似系统，它不仅柔软，还以蠕动驱动。
研究人员先通过卷起和热封一张聚合物网眼制造出一个管状身体。这种由相互交织的聚合物纤维制成的网眼材料使管子伸展和收缩，它的运动类似于弹簧。然后，他们研究了制造人工肌肉的方法，最后决定使用镍钛合金。吉姆说：“这是一种非常奇怪的材料。根据镍钛比例，它的运动就会发生明显变化。”
高于一定温度，这种合金就会保持一种称作奥氏体的状态。奥氏体是一种弹簧恢复原状时出现的有规律的定向结构。即使弹簧发生严重弯曲，也会在奥氏体作用下恢复原样。但低于一定温度，镍钛合金就会变成马氏体状态。这是一种更柔软的结构，就像曲别针一样，即使发生弯曲也会保持一定形状。
在对软体机器人进行的极限试验中，科学家使这种机器人遭受多种极端情形，例如用铁锤重击甚至用脚猛力踩等，以便检查它的耐久性。虽然受到这些剧烈打击，这种机器人却幸存下来，在未受损伤的情况下继续爬行。吉姆表示：“你可以扔它，它却不会崩溃。大多数机械零件不仅很硬，还易碎。但网眼蠕虫机器人的构件都由纤维制造，拥有非常强的韧性。它们的肌肉是柔软的，身体也是柔软的。我们正开始展示一种非同寻常的身体变形能力。”
路易斯-克拉克学院生物学教授凯勒-奥特姆通过设计软机器人研究了动物运动的生物力学。他表示：“像网眼蠕虫一样的机器人可用于多个领域，例如新一代内窥镜、移植物和弥补术等。虽然这种机器人的身体比一条真正的蠕虫更简单，只有少数体节，但好像有非常显著的运动能力。我预测，在今后10年中我们会在许多产品中见到改变形状的人造肌肉，例如手机、便携式电脑和汽车等。”这项新研究得到美国国防高级研究计划局的支持。
网眼蠕虫机器人的运作原理：
研究人员制造了一种紧密盘绕的镍钛合金金属线，然后将其缠扰在网眼管周围，使其模仿蚯蚓的圆形肌肉纤维。接着，他们把一个小电池和电路板安装在这个管子中，这样就可以通过电流给这条充当身体体节的金属线加热。体节达到一定温度时，金属线就会收缩，推挤管子，推动机器人向前移动。
吉姆和他的同事研发出安全控制金属线加热和降温以及机器人在各种表面上移动的规则系统。这个科学小组还为这种机器人配备了沿整个身体运动的金属线，它们类似于蚯蚓的纵向肌肉纤维。加热时，一条金属线就会收缩，拉动机器人左右运动。