很多人都愛玩打地鼠的游戲，這種動物的挖洞能力極強。那么，機器人是否也能像地鼠一樣挖洞？

最新一期《科學?機器人》（Science Robotics）雜志封面論文，講的正是挖洞機器人，該研究由加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校和佐治亞理工學院的研究人員共同完成。

據悉，該機器人重 780g，主要包含杠桿體、氣流供應管線和密封件，其身體壓力由高達 150kPa 的壓縮空氣或氮氣提供。而向前和向下的氣流管，可分別提供高達 30L 和 300 L/min 的壓縮氣體。

基于對動植物在顆粒介質中進行挖掘的動力學理解，該團隊設計出了這款管狀機器人，它的頂部包含尖端延伸噴氣裝置，可通過控制地下的相互作用力，來實現高速穿透地面以及地下挖掘。

相比同類機器人，該機器人的拉力可增強數十倍，從而可實現快速水平移動和垂直移動。

正在美國西北大學讀書、2020 年曾在同一期刊發(fā)表論文的袁航告訴 DeepTech，這是一款可在顆粒介質環(huán)境中完成快速可控三維挖掘的軟體機器人，該工作巧妙借鑒了自然界中相關植物與動物、在地下顆粒介質環(huán)境移動時采取的策略。

章魚、植物尖端和沙漠蜥蜴，帶來三大設計靈感

在當前挖掘作業(yè)中，人們普遍使用螺旋鉆機、液壓旋轉鉆機、隧道鉆機等，但這并不適用于小型機器人。后來，螺桿鉆機、往復式鉆機、錘擊機制等機器人挖掘方式逐漸被提出。

2018 年，美國宇航局（NASA）發(fā)射 “洞察” 號火星無人著陸探測器時，一款名為 “鼴鼠” 的挖掘機器人與之隨行，其采用自錘擊的挖洞方式，在實驗室測試中該裝置能在 12 小時內挖出 5 米深。

但由于火星土壤性質原因，登上火星 2 年之久，“鼴鼠” 也未能在火星成功挖洞。2021 年 1 月，由于多次嘗試未果，NASA 最終決定放棄 “挖火星”，由此可見難度之大。

該團隊也在論文中表示，陸地、空中和水中機器人的開發(fā)進展非常順利，但地下機器人卻遇到了很多困難。

最大的困難之一是，在基本數據不足以讓人從物理角度獲悉物體如何在地下運動的情況下，人們很難開發(fā)出可控制地下復雜運動的導航系統(tǒng)。

本次論文的第一作者加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分?；艨怂箤嶒炇业哪峁爬?納克萊里奧（Nicholas Naclerio）表示，地面機器人在穿過物體時，受到空氣和水的阻力很小，但在地下運動就必須推開土壤、沙子或其他介質。

更困難的是，沙土顆粒產生的阻力遠超空氣或水產生的阻力，此外在地下還會遇到升力。這時，自然界的動植物啟發(fā)了他們。

植物給予他們的靈感是：部分植物的尖端在地下生長時可延伸成網絡，進而具備穿過沙土的能力，這也是植物根系在土壤中鉆孔的方法。

比如，尖端延伸可讓野生無花果樹的根延伸到 120 米、以及讓美國白楊樹的根覆蓋 0.433km2。

該團隊表示，植物尖端在地下生長時，其生長端的阻力較低。如果機器人身體能一邊長大一邊移動，就能讓更多身體部分進入沙土，沙土表面的摩擦力也會隨之增加。

厘清這些原理后，研究人員以地下植物和地下動物為靈感，成功研發(fā)出這款挖洞機器人，目前已實現在沙子中挖洞。

章魚在地下進行活動時，會先噴射一股水流以便松動沙子，接著用觸手把身體拉入沙中。該方法的學名叫顆粒流化，指的是把顆粒轉成懸浮流體狀態(tài)，如此就能克服沙土中的高阻力。

章魚在海底快速移動時，還可呼出空氣，而基于該原理研發(fā)的技術，可讓機器人在沙子中快速移動的同時，還可向各個方向撒沙。

該團隊表示，他們遇到的最大挑戰(zhàn)是，當把機器人切換到水平方向開挖時，總是會浮出來 “度過一段艱難的時光”。

這是因為在對稱物體的上下方，雖然氣體和液體可進行均勻流動，但流化沙的力量分布并不平衡，因此會給水平運動的機器人帶來顯著的上升力。這導致機器人能推開沙子，但卻難以壓實沙子。

為探明原因，尼古拉斯等人讓機器人從水平方向推入沙子，這時其尖端實心棒附近會流入不同角度的氣流，對于這些氣流產生的升力和阻力，該團隊做了測量。

他們發(fā)現，相比牛頓流體中產生摩擦力，沙子等顆粒材料產生的摩擦力非常迥異。當機器人在沙子中運動時，產生的高摩擦力更高，這時處于運動方向的機器人會擠壓大片空間。

那么，解決辦法是什么？答案是沙漠蜥蜴。

沙漠蜥蜴有著楔形的頭部，這讓它在沙里挖洞時可以調節(jié)升力。以此為借鑒，該團隊把機器人頭部設計成類似形狀，就能對其阻力進行條件，從而保證機器人在沙子中維持水平移動，以避免從沙子中浮出。

最近剛在《科學?機器人》發(fā)表過論文的美國波士頓大學工程學院博士生楊溢表示，沙子在靜態(tài)時具有固體性質，但是在有氣流穿過其空隙、或者震動的情況下會展現流體性質。該團隊通過在沙子中注入氣流，使得機器人可以在沙子里輕易穿行。

概括來說，作為設計挖洞機器人的 “靈感繆斯”，植物尖端、章魚和沙漠蜥蜴這三樣自然動植物功不可沒。

曾在《自然》發(fā)表過機器人相關封面論文的浙江大學航空航天學院交叉力學中心教授李鐵風告訴 DeepTech：“生物在應對和改造外部環(huán)境上常有‘奇招’，將之應用在在機器人系統(tǒng)中則有望實現優(yōu)異性能。該機器人由幾類生物挖掘鉆地的行為與結構特征啟發(fā)，利用軟體材料與結構實現沙地挖掘，在驅動方法和結構設計上都體現了創(chuàng)新，對探測與作業(yè)機器人的研究和應用將起到推動作用。”

具體來說，以植物尖端為靈感帶來的尖端延伸設計，可降低機器人的阻力，最終讓機器人能以每秒 480 厘米的速度，在沙中快速挖洞。

以章魚為靈感做出的局部顆粒流化設計，可讓機器人借助尖端噴射氣流的步驟，降低穿越干燥沙子的阻力。

以沙漠蜥蜴為靈感設計的機器人頭部，可在不對稱的向下氣流中，控制機器人遇到的升力。比如在噴射氣流角度下，當增加氣流時沙子的升力會被降低。

正在康奈爾大學做博后研究、2021 年初曾發(fā)表過《科學?機器人》封面論文的劉清坤告訴 DeepTech，該機器人的最大亮點在于可進行快速可控的掘地運動。

而在機器人“皮膚”的選材上，亦是可圈可點。

“皮膚” 必須圓周強壯

在材料上，由于該機器人承受的相互作用力和內部壓力，比以前的變形機器人要高，因此對 “皮膚” 材料的機械性能有著更嚴格的要求。

比如，“皮膚” 必須圓周強壯，以便抵抗內部壓力的高環(huán)應力，為此該團隊選用一種定制的雙層復合密封織物。

為了增加尖端延伸體的氣流，他們設計了一個基于尖端的流動裝置。為了改變尖端的流向，該團隊使用了一個雙噴嘴系統(tǒng)，每個系統(tǒng)都有自己的供風線。只需改變兩個噴嘴之間的流量，就可實現對流量方向的大致控制。

研究中，該團隊在沙子上進行了 480cm/s 的高速水平穴穴試驗，以測量機器人的反作用力和速度結果顯示，機器人在 0.08s 內可挖 30cm 深度的沙子。在自然界中，剃刀蛤可以挖 1cm/s，沙魚蜥蜴可挖 10cm/s，因此該機器人頗具優(yōu)勢。

在演示中，機器人成功地穿越了長約 8 厘米、深度為 60 厘米的沙子，持續(xù)向下流速為 140 升 / 分鐘，速度為 2cm/s。

正和 NASA 開展項目，將在月球等天體研發(fā)挖洞技術

在干燥的顆粒介質中，該機器人已具備表層挖洞的能力。在地球上的潛在應用包括土壤取樣、沒有溝槽的微創(chuàng)灌溉、電線或地熱回路安裝、侵蝕控制、搜救和糧倉檢查。

另據悉，它還能控制尖端延伸方向，也能調節(jié)在沙子中的的牢固程度，故此可用于低重力環(huán)境中的應用探索。

或許 NASA 已經意識到了自身不足，其目前已和該團隊達成合作，未來將在月球、以及木星、衛(wèi)星、土衛(wèi)二等天體上拓展機器人的挖洞能力，實際應用包括火星上的熱傳感器放置、月球上的火山隧道探索、小行星取樣或錨定，以及土星衛(wèi)星土衛(wèi)二上的粒狀冰探索。

劉清坤也表示，可以預見這種掘地機器人未來在地下搜索和救援、以及在其他星球上土壤采樣等領域有重要應用 。

楊溢告訴 DeepTech，這期的《科學?機器人》主要關注在極端環(huán)境下工作的機器人（robots in extreme environments），封面的軟體機器人算是一種仿生機器人。

他認為，雖然它的驅動方式依然是常見的氣壓驅動（pneumatic actuation），但是它巧妙使用了氣動力，不僅對自身結構進行延伸以達到移動目的，還依靠氣動來吹動周圍介質來極大減小前進阻力。

談及該論文登上封面的原因，楊溢分析稱，傳統(tǒng)機器人研究都是機械工程結合電子工程，多發(fā)表在電子工程師協(xié)會（IEEE）旗下的會議和期刊?！犊茖W?機器人》是一個比較新的期刊，也就只有幾歲，上面的很多論文都是新興研究。有時新興研究距離實際應用較遠，但是具備潛在的廣度或深度。

劉清坤也認為，該期刊偏重于機器人研究的新觀念和新原理。這些問題大多不能在已有知識和技術領域中單獨解決，而是需要多學科交叉、從自然中汲取靈感等。

原文標題：0.08s內可挖30cm深的沙子，可模仿章魚把身體埋入沙土，“遁地”機器人有望用于小行星取樣或錨定 | 專家解析

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責任編輯：haq