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用吸管制造出来的高科技:像蜘蛛一样爬行的半软体机器人

来源:机器人网 | 发表日期:2017-06-17
简介:Whitesides 和Alex Nemiroski 来自哈佛大学的实验室,他们受到节肢动物昆虫和蜘蛛的启发,创造了一种能够自主站立和行走的半软体机器人,并将研究成果发布在了最近出版的『Soft Robotics』杂志上。

谈到机器人,您可能脑海里立马会浮现变形金刚的威武刚躯,或者是类似『机器姬』里拥有超级大脑与复杂情感的Ava。不过,广义上的「机器人」并不局限于有人的外形或人的思维,而是指「能自动执行工作程序的机器装置。」

所以实际上建造一个机器人,可能远比你想的要简单,比如像哈佛大学两位博士后Whitesides 和Alex Nemiroski 这样,用吸管就能搭建起的半软体机器人。

Whitesides 和Alex Nemiroski 来自哈佛大学的实验室,他们受到节肢动物昆虫和蜘蛛的启发,创造了一种能够自主站立和行走的半软体机器人,并将研究成果发布在了最近出版的『Soft Robotics』杂志上。

此前这个实验室就推出过类似的充气式软体机器人,不过有难以保持站立平衡及行走笨拙等缺点。而这次的吸管式机器人则被设计的更加灵活,并有望在将来应用在自然灾害或冲突地区的搜索行动中。

Whitesides 教授说:「环顾我们周边的世界,会发现很多小生物,如蜘蛛与昆虫。它们行动敏捷,能做很多大型硬性机器人做不到的事情。它们才是地球上最通用的生物形态,我们能从他们身上得到很多仿生技术的启示。」

于是,他们就用我们生活中最常见的一种道具——吸管,来建造了一个令人惊叹的简单联合。

首先,做一条能单腿爬行的机器人。先在吸管上切割一个槽口,让他们弯曲。然后,在槽口内插入了很短的管道,当吸气膨胀时,它将迫使接头延伸。当管子放气时,连接在任一侧的橡胶筋将使接头缩回。

然后,就是多条单腿机器人的组合了。根据测试场景的需要,可以给机器人加入第二条腿和第三条腿,以达到让机器人自行站立的要求。不过随着腿数量的的增加,控制难度也会加深。

Nemiroski 介绍说:「系统复杂程度每增加一个层次,我们就必须对运动关节进行修改,使其能够发挥更大的力量或者能够支持大型机器人的重量。」对于简单的机器人,Nemiroski 与他的同事通过注射器来控制关节的伸缩,但随着设计复杂性的增加,他们开始将多腿机器人与 Arduino 微控制器组合在一起,使用阀门和中央压缩机来控制关节。

最终,当研究人员做成 6 只腿或 8 只腿的机体时,它们走路方式的编程就成为了一个挑战。「例如,我们分别研究了蚂蚁和蜘蛛的运动方式,来排列多腿机器人的运动,以弄清楚这些动物的运动方式是否适用于我们的机器人,决定是否需要开发我们自己的行走类型,以适应这种特殊的关节。」

用吸管制造出来的高科技:像蜘蛛一样爬行的半软体机器人

最后的实验证明,用这种机器人复制蚂蚁独特的「三角」步态还是蛮成功的,但模仿蜘蛛的行走,则显得非常棘手。

关于棘手的原因,Nemiroski 解释说:「一只蜘蛛能调整其延伸的速度并可自如收缩关节,仔细地计算任何时候特定肢体的前后移动。」而 Nemiroski 他们做的六足机器人阀门系统过于简单,关节运动是二进制的(决定因素为阀门的开与关)。所以对于八腿机器人,他们就必须开发独特的步态,以与关节的二进制运动兼容。

尽管这种软体机器人暂时无法投入现实应用,其控制技术也偏向简单,但 Whitesides 认为其意义在于思维上的创新,尤其是其使用日常的现成材料,并从生物规律中获得启发,进行技术上的重塑,这对于未来的创新方向具有指导意义。

Whitesides 说:「我们没有任何理由重新发明轮子,像吸管这种日常材料,它们可以有效零成本地将创意变成现实,为什么不利用它们?」而 Nemiroski 则补充说道:「这里真正吸引人的正是简单。我们利用现成的材料,在施工与控制方面非常简单,通过将单一执行器进行有机组合的方式,就可以实现复杂的多维运动,这是一件能让我们自豪的事。」

目前这项研究已经得到了美国能源部,DARPA,加拿大自然科学与工程研究理事会,国家科学基金会,瑞典研究理事会和哈佛大学威斯利生物启发工程研究所的资助。

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