靈感來自章魚,新的機器人皮膚可模擬紋理材質以融入環境

作者 | 發布日期 2017 年 10 月 17 日 17:17 | 分類 尖端科技 , 材料 , 機器人 follow us in feedly

可伸縮材料在生產生活中的應用越來越廣泛,但是我們好像還無法控制比氣球膨脹更複雜的材料變形。



但在自然界,有些物種卻做得很好,比如很多頭足類動物(如海裡的軟氏三雄:章魚、墨魚與魷魚)就可以毫秒為單位讓皮膚產生分層,藉此達到偽裝的目的。

受頭足類動物肌肉形態和皮膚結構的啟發,康乃爾大學的研究人員最近開發了一款能讓機器人達到隱身的新「皮膚」,其紋理可與背景環境完美融合。不過目前這套「皮膚」紋理現在還只能按照研究人員提前設定的圖案顯示,比如凸起的岩石或類似高麗菜的多肉植物等。

▲ 充氣版多肉高麗菜。(Source:Video by JH Pikul et al., Science (2017))

具體來說,研究人員的靈感來自章魚,這種黏稠的生物簡直就是機器人工程師創新的繆斯,因為章魚是自然界名副其實的偽裝大師。某些種類的章魚可以改變膚色,還有一些透過控制小肌肉群來快速改變皮膚紋理(形成隆起或褶皺)。

利用對章魚的觀察,研究團隊成員 Pikul 等人將矽樹脂倒入模具,形成與皮膚類似的材質,之後在上層放置一個固定長度的纖維網用來模擬肌肉組織;接著他們按照設定好的圖案用雷射切割網格(清除網狀物以添加矽膠),並在上面澆築更多有機彈性矽膠,之後整個東西變乾並形成三明治結構。

簡單來理解這個三明治結構,從下到上材料依次是:矽樹脂、彈性矽膠和纖維網。纖維網做為局部結締組織有纖維增強的作用,提供中心軸力學並控制 3D 形狀。而彈性矽膠為可伸展的軟組織,可垂直於合成皮膚表面伸縮。

▲ 黑色部分是嵌入式網格,透明區域是被切割的位置,讓矽樹脂可以自由膨脹。(Source:康乃爾大學

當研究人員充氣合成皮膚時,可從二維(2D)可伸縮表面轉換為 3D 形狀,並膨脹到其目標形狀的 10% 那麼大。

然後,研究人員將纖維網刷成灰色,並按照石頭的圖案把多餘網狀物切除,之後將矽膠注進模型,得到一塊類似「岩石」的皮膚。他們還畫出一綠色植物圖案,看起來就像高麗菜的多肉植物。

目前,這款皮膚的局限是研究人員必須預先規劃好想要的物體模型,這在某種程度上限制了機器人的隱身能力。但研究團隊在論文的最後寫道:「未來或許可以透過向上或向下撥動網格模型的剛度來改變圖案,繼而改變矽樹脂的形狀。」

有了這套皮膚,下一代軟體機器人可在 2D 與 3D 間輕鬆切換。未來,類似這種根據設定的圖案偽裝的「皮膚」可用於機器人隱形,也可用來窺探動物行為以利學術研究,或者用於隱密的軍事偵查等。

(本文由 36Kr 授權轉載;首圖來源:影片截圖) 

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