“章魚機(jī)器人”：開啟軟體機(jī)器人新時(shí)代

■劉 霞

“章魚機(jī)器人”：開啟軟體機(jī)器人新時(shí)代

■劉 霞

美國科學(xué)家攜手研制出了一款外表酷似章魚的“章魚機(jī)器人（Octobot）”，這款濕軟的機(jī)器人“身高”不足2厘米，是第一款全部由柔性零件組成的全自動(dòng)、自帶燃料、“自給自足”的機(jī)器人。據(jù)英國《自然》雜志近日?qǐng)?bào)道，研究人員稱，“章魚機(jī)器人”正在軟體機(jī)器人的海洋中翻起朵朵浪花。

制造出柔性零件是關(guān)鍵

近年來，工程師和科學(xué)家們對(duì)軟體機(jī)器人的興趣與日俱增，他們希望超越類似“終結(jié)者”那樣由堅(jiān)硬的金屬材料制成的機(jī)器人，設(shè)計(jì)出一些新型機(jī)器人：它們能被擠壓進(jìn)緊密的空間內(nèi)；能根據(jù)周圍環(huán)境改變形狀；或者能安全地操作精巧的物體。

想象非常美好，但對(duì)研究人員而言，在現(xiàn)實(shí)生活中制造出能替代電池、電路等剛性部件的柔性零件，一直是橫亙?cè)谘兄栖涹w機(jī)器人道路上的“攔路虎”。麻省理工學(xué)院（MIT）人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）主任、機(jī)器人專家丹妮拉·魯斯稱：“在傳統(tǒng)機(jī)器人身上，大腦、電子設(shè)備、電池，這些零件都很堅(jiān)硬。軟體機(jī)器人是一個(gè)新領(lǐng)域，令人興趣盎然。”

新研制出的“章魚機(jī)器人”由硅橡膠制成，其“大腦”是一款柔性微流體芯片，內(nèi)部的閥門和開關(guān)由壓力激活，引導(dǎo)液態(tài)燃料流過“身體”，從而控制8只“爪子”的動(dòng)作。該研究的領(lǐng)導(dǎo)者之一，哈佛大學(xué)工程師羅伯特·伍德說：“它類似一個(gè)普通電路，只不過不是傳遞電子，而是傳遞液體和氣體。”

“章魚機(jī)器人”的身體由3D打印而成。為制造“章魚機(jī)器人”的身體，研究人員將硅橡膠傾倒入一個(gè)章魚形狀的模具中，接著用3D打印機(jī)朝其中注入特殊墨水，隨后通過加熱來矯正其結(jié)構(gòu)，并使墨水蒸發(fā)——在機(jī)器人的爪子內(nèi)部留下一個(gè)中空的網(wǎng)絡(luò)并同大腦相連，機(jī)器人的“大腦”通過這個(gè)中空管道同爪子“交談”。

摒棄電池使用液態(tài)燃料

很多軟體機(jī)器人會(huì)與壓縮空氣罐相連，利用其提供電力，但這會(huì)限制機(jī)器人的行動(dòng)范圍，為此，伍德和同事另辟蹊徑，使用液體燃料并利用化學(xué)反應(yīng)來為這個(gè)機(jī)器人供電。

他們的燃料是濃度為50%的過氧化氫溶液，“章魚機(jī)器人”的內(nèi)部充滿了這種溶液，與此同時(shí)，他們也朝機(jī)器人內(nèi)部注入了鉑（充當(dāng)催化劑，為了達(dá)到更好的效果，實(shí)際采用的是鉑金屬粉末），當(dāng)溶液遇到鉑，它很快會(huì)分解成體積更大的水和氧氣。隨著氧氣增多，“章魚機(jī)器人”身體內(nèi)的壓力加大，就會(huì)打開一些微閥門而關(guān)閉另一些微閥門，使燃料每次只流向系統(tǒng)的一邊，讓這邊的四條“爪子”充滿氧氣，從而驅(qū)動(dòng)章魚的“爪子”向前伸展。隨著這邊的燃料不斷消耗，內(nèi)部壓力下降，使燃料進(jìn)入另一邊，這邊關(guān)閉，整個(gè)“爪子”向前伸展的“劇情”再次上演一遍。

意大利圣安娜高級(jí)研究學(xué)院的塞西莉亞·拉絲慈說：“微流體和化學(xué)反應(yīng)的‘聯(lián)姻’非常有趣。這是一種全新且與眾不同的制造和看待軟體機(jī)器人的方式。”

進(jìn)一步提高軟硬件性能

目前，這款章魚機(jī)器人能活動(dòng)大約8分鐘，消耗的燃料為1毫升。伍德說，他們并沒有設(shè)計(jì)讓這款機(jī)器人執(zhí)行特定的任務(wù)，它也不能模擬真正章魚的“一舉一動(dòng)”，它只不過證實(shí)了這一技術(shù)可行。研究人員表示，未來，他們將進(jìn)一步提高微流體電路的復(fù)雜程度，使其更耐用；而且改進(jìn)“爪子”設(shè)計(jì)的方法，讓其能更好地運(yùn)動(dòng)，如此一來，得到的軟體機(jī)器人或能實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)。

美國康奈爾大學(xué)的材料工程師羅伯特·謝普德對(duì)《自然》雜志說：“現(xiàn)在，我們需要解決的問題是，如何對(duì)機(jī)器人重新編程，讓其執(zhí)行不同的運(yùn)動(dòng)并對(duì)環(huán)境做出反應(yīng)，而不僅僅是執(zhí)行預(yù)編程的指令序列。”謝普德目前專注于研究是否能讓效率更高的微流體電路同柔性傳感器相結(jié)合，從而制造出更智能、更能適應(yīng)環(huán)境的軟體機(jī)器人。

研究人員指出，雖然軟體機(jī)器人仍處于萌芽和起步階段，但它或許能在很多領(lǐng)域“大展拳腳”，比如維修和檢測(cè)設(shè)備、執(zhí)行搜救行動(dòng)以及進(jìn)行環(huán)境探測(cè)，甚至在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。