长得像软糖的 7 公分小玩意,竟是模仿猎豹的「最快」软体机器人-
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长得像软糖的 7 公分小玩意,竟是模仿猎豹的「最快」软体机器人

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7 公分长、45 克重,上能陡坡奔跑,下能水中游泳,能跑能跳还能举重物……而它,只是个长得像软糖的软体机器人,其最为霸气的一面,或许是它的模仿原型「猎豹」,没错!就是那个陆地上奔跑速度最快的动物。

(注:基于该软体机器人以猎豹为原型,为方面阅读,文章称其为「小猎豹」)

软体机器人长这样

▲ 以一张「小猎豹」的妖娆摆动 GIF 开场。

由于软材料本身的局限性,难以快速储存或释放大量力学能,一般的软体机器人的运动速度和操作强度也会受限。不过,小猎豹之所以为小猎豹,就在于它与一般软体机器人不同。

受猎豹高速奔跑过程中脊柱活动机制的启发,研究人员将基于双稳态脊柱的混合软执行器,用于软体机器人的设计中,透过可逆的贯通双稳态实现类似的脊柱屈曲和伸展。

因此小猎豹不仅能进行高速运动,在高强度物体操纵中也能够得心应手。

研究论文发表于《Science Advance》,题为「Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots」。

文章指出,小猎豹约 7 公分长,重达45 克,主要由两部分组成:弹簧驱动的双稳态结构(做为骨骼脊柱)、两个软性气动弯曲执行器(做为骨骼肌)。

想像一下猎豹奔跑时的体态,脊背弯曲,四肢伸展腾空,落地时四肢收缩交错蹬地。既然是以猎豹为原型,小猎豹也是这幺跑起来的,如图:

▲ 图片是这样。

▲ 然而,动起来是这样。

看这运动姿势,感觉猎豹被黑了。

小猎豹能够利用软性气动弯曲执行器,在两个稳定状态之间展现快速、可切换的弹性突跳。

前面提到,一般的软体机器难以储存和释放力学能,由此研究人员在设计小猎豹时加入了线性弹簧,连接小猎豹的骨骼脊柱,透过弹簧预紧力或调整弹簧的刚度,达到能量储存。

在小猎豹的结构设计中,弹簧发挥了放大器的作用,不仅提高了速度和作用力,还提升弹性的调节空间。

这样的设计,研究人员称其为「双稳态混合软执行器设计」。

▲ II 和 III 为稳定状态。

从表现来看,小猎豹在奔跑时,其骨骼脊柱会上下弯曲,四肢在收缩和伸展之间变换,在腾空或触底是,脊柱伸展至极限,其软性气动弯曲执行器和弹簧处的能量会处于低点,这便是「双稳态」。

值得注意的是,小猎豹尚未能主动制动,而需要连接气管充气,透过空气帮浦交替弹开,让小猎豹在正弓蹬地和反弓腾空之间变换跃进。

猎豹是陆地上奔跑速度最快的生物,其速度最高可达 29 m/s,那幺这个模仿猎豹的 7 公分迷你小猎豹机器人,在实际运动中的表现如何?

机器虽迷你,但不得小觑

研究指出,小猎豹机器人在 3Hz 左右的低驱动频率下,其速度可达每秒 2.7 个体长,约 18.75 cm/s。和猎豹的风采比起来,小猎豹看起来好像不是很厉害的样子。

但小猎豹是软体机器人,与猎豹不是同一类型,因此将两者进行对比无实质意义,正确的对比对象应为其他软体机器人。

对比以往的软体机器人,其最快速度仅有每秒 0.8 个体长,而小猎豹的速度是其 3 倍多。

不仅如此,以往的软体机器人只能在地面上爬行,而小猎豹不仅能上坡还能下水,甚至在物品抓取方面,也是出类拔萃的。

▲ 表现得最好的就是小猎豹(左和上)。

在爬坡测试实验中,研究人员将小猎豹与另外两种软体机器人放置于在倾斜角为 17 度的坡面。结果显示,仅有小猎豹能够快速上坡,另外两个软体机器人均显得十分吃力,且上坡失败。

在入水试验中,研究人员将小猎豹的软性弯曲执行器重新封装,以适用于水下运动。改良后的小猎豹长度约 150mm,重量为 51g,其中弯曲执行器的长度为 45mm。

实验结果显示,小猎豹在水中的行进速度最高可达 11.7 cm/s,比另外两个软体机器人分别快 32% 和 122%。

在抓取作业中,小猎豹软体机器人不仅能够抓取鸡蛋这种易碎物品,11.4 公斤的重物也不在话下。至于能够抓取多重的物体,主要还是取决于弹簧,弹簧刚度越高,其抓取能力越强。

不过,对软体机器人而言,抓取易碎物品的要求比抓取重物更高。首先,在物品抓取时要够轻,其抓手在柔软之余还要具备抓力。另外,在移动的时候,弹簧要始终保持在不活动状态。

正所谓,拿也轻轻,放也轻轻。

软体机器人任重道远

对比刚性机器人,软体机器人的发展较为滞后。

对比已经在巡逻、配送、教育等场景中走向应用的刚性机器人,软体机器人目前尚处于产出学术成果的阶段。

香港科技大学机器人研究院院长王煜曾在世界机器人大会上表示,软体机器人发展面临着三大关键问题──机械运动原理、刚性结构、驱动和反馈。同时,他补充,软体机器人要越来越多,小问题都有多多少少的进展,慢慢地这些成功的案例和经验能够融合在一起,使得软体机器人在理论上有所发展;模仿猎豹的软体机器人便是理论研究发展之一。

儘管只是一个小小的进步,但任何质变的产生,不都是量变的结果吗?

  • Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots
  • 模仿猎豹的“最快”软体机器人来了!猎豹:这是我被黑的最惨的一次 | 科学GIF
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