長得像軟糖的 7 公分小玩意,竟是模仿獵豹的「最快」軟體機器人

作者 | 發布日期 2020 年 05 月 22 日 8:15 | 分類 機器人 , 科技趣聞 follow us in feedly


7 公分長、45 克重,上能陡坡奔跑,下能水中游泳,能跑能跳還能舉重物……而它,只是個長得像軟糖的軟體機器人,其最為霸氣的一面,或許是它的模仿原型「獵豹」,沒錯!就是那個陸地上奔跑速度最快的動物。

(註:基於該軟體機器人以獵豹為原型,為方面閱讀,文章稱其為「小獵豹」)

軟體機器人長這樣

▲ 以一張「小獵豹」的妖嬈擺動 GIF 開場。

由於軟材料本身的局限性,難以快速儲存或釋放大量力學能,一般的軟體機器人的運動速度和操作強度也會受限。不過,小獵豹之所以為小獵豹,就在於它與一般軟體機器人不同。

受獵豹高速奔跑過程中脊柱活動機制的啟發,研究人員將基於雙穩態脊柱的混合軟執行器,用於軟體機器人的設計中,透過可逆的貫通雙穩態實現類似的脊柱屈曲和伸展。

因此小獵豹不僅能進行高速運動,在高強度物體操縱中也能夠得心應手。

研究論文發表於《Science Advance》,題為「Leveraging elastic instabilities for amplified performance: Spine-inspired high-speed and high-force soft robots」。

文章指出,小獵豹約 7 公分長,重達45 克,主要由兩部分組成:彈簧驅動的雙穩態結構(做為骨骼脊柱)、兩個軟性氣動彎曲執行器(做為骨骼肌)。

想像一下獵豹奔跑時的體態,脊背彎曲,四肢伸展騰空,落地時四肢收縮交錯蹬地。既然是以獵豹為原型,小獵豹也是這麼跑起來的,如圖:

▲ 圖片是這樣。

▲ 然而,動起來是這樣。

看這運動姿勢,感覺獵豹被黑了。

小獵豹能夠利用軟性氣動彎曲執行器,在兩個穩定狀態之間展現快速、可切換的彈性突跳。

前面提到,一般的軟體機器難以儲存和釋放力學能,由此研究人員在設計小獵豹時加入了線性彈簧,連接小獵豹的骨骼脊柱,透過彈簧預緊力或調整彈簧的剛度,達到能量儲存。

在小獵豹的結構設計中,彈簧發揮了放大器的作用,不僅提高了速度和作用力,還提升彈性的調節空間。

這樣的設計,研究人員稱其為「雙穩態混合軟執行器設計」。

▲ II 和 III 為穩定狀態。

從表現來看,小獵豹在奔跑時,其骨骼脊柱會上下彎曲,四肢在收縮和伸展之間變換,在騰空或觸底是,脊柱伸展至極限,其軟性氣動彎曲執行器和彈簧處的能量會處於低點,這便是「雙穩態」。

值得注意的是,小獵豹尚未能主動制動,而需要連接氣管充氣,透過空氣幫浦交替彈開,讓小獵豹在正弓蹬地和反弓騰空之間變換躍進。

獵豹是陸地上奔跑速度最快的生物,其速度最高可達 29 m/s,那麼這個模仿獵豹的 7 公分迷你小獵豹機器人,在實際運動中的表現如何?

機器雖迷你,但不得小覷

研究指出,小獵豹機器人在 3Hz 左右的低驅動頻率下,其速度可達每秒 2.7 個體長,約 18.75 cm/s。和獵豹的風采比起來,小獵豹看起來好像不是很厲害的樣子。

但小獵豹是軟體機器人,與獵豹不是同一類型,因此將兩者進行對比無實質意義,正確的對比對象應為其他軟體機器人。

對比以往的軟體機器人,其最快速度僅有每秒 0.8 個體長,而小獵豹的速度是其 3 倍多。

不僅如此,以往的軟體機器人只能在地面上爬行,而小獵豹不僅能上坡還能下水,甚至在物品抓取方面,也是出類拔萃的。

▲ 表現得最好的就是小獵豹(左和上)。

在爬坡測試實驗中,研究人員將小獵豹與另外兩種軟體機器人放置於在傾斜角為 17 度的坡面。結果顯示,僅有小獵豹能夠快速上坡,另外兩個軟體機器人均顯得十分吃力,且上坡失敗。

在入水試驗中,研究人員將小獵豹的軟性彎曲執行器重新封裝,以適用於水下運動。改良後的小獵豹長度約 150mm,重量為 51g,其中彎曲執行器的長度為 45mm。

實驗結果顯示,小獵豹在水中的行進速度最高可達 11.7 cm/s,比另外兩個軟體機器人分別快 32% 和 122%。

在抓取作業中,小獵豹軟體機器人不僅能夠抓取雞蛋這種易碎物品,11.4 公斤的重物也不在話下。至於能夠抓取多重的物體,主要還是取決於彈簧,彈簧剛度越高,其抓取能力越強。

不過,對軟體機器人而言,抓取易碎物品的要求比抓取重物更高。首先,在物品抓取時要夠輕,其抓手在柔軟之餘還要具備抓力。另外,在移動的時候,彈簧要始終保持在不活動狀態。

正所謂,拿也輕輕,放也輕輕。

軟體機器人任重道遠

對比剛性機器人,軟體機器人的發展較為滯後。

對比已經在巡邏、配送、教育等場景中走向應用的剛性機器人,軟體機器人目前尚處於產出學術成果的階段。

香港科技大學機器人研究院院長王煜曾在世界機器人大會上表示,軟體機器人發展面臨著三大關鍵問題──機械運動原理、剛性結構、驅動和反饋。同時,他補充,軟體機器人要越來越多,小問題都有多多少少的進展,慢慢地這些成功的案例和經驗能夠融合在一起,使得軟體機器人在理論上有所發展;模仿獵豹的軟體機器人便是理論研究發展之一。

儘管只是一個小小的進步,但任何質變的產生,不都是量變的結果嗎?

(本文由 雷鋒網 授權轉載;首圖來源:pixabay

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