耶魯大學研發黏土變形機器人,可以自動變形穿越各種障礙!

示意圖,非文中所述黏土機器人。

【為什麼我們要挑選這篇文章】魔鬼終結者裡的液態金屬變型機器人 T1000 將成為現實。耶魯大學的研究者成功用黏土,製作出一款能夠變形、移動的軟體機器人。雖然它現在只能做簡單的動作,但未來,它能夠應用在救難上,透過變形穿越狹小的障礙;而且要打造出類似 T1000 的機器人也不無可能。重點是,它顛覆一般機器人的運動機制:馬達、齒輪;透過收縮伸展,機器人可以用截然不同的方式運動。(責任編輯:郭家宏)

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《魔鬼終結者 6:黑暗宿命》要上映了,所有主角全部回歸,讓終結者迷們期待不已。

除了史瓦辛格的那句經典台詞「I will be back」,看過第二部的朋友們應該都記得這個經典的場景。

文摘菌(本文作者)含淚表示,童年也被液態金屬機器人 T1000 的恐懼支配過。

而近幾年,隨著機器人產業的發展,各個研究機構對於軟體機器人的研究愈發重視。正如 Science Robotics 主編楊廣中所說:機器人要突破馬達與齒輪的工業時代印象。

IEEE 也從 2018 年開始舉辦國際軟體機器人大會 Robosoft,今年是在韓國首爾舉行的第二屆。提交到大會的論文中,研究者們使用了各種各樣的材料來實現機器人的柔性可變,比如嵌入式離子凝膠、離子聚合物、金屬複合材料等,甚至是使用氣體作為填充物。

最近,根據 IEEE 報導,耶魯大學的研究人員用黏土作為填充物,利用一個變形層和一個運動層組成的表面,開發了一款可以根據環境改變自己形狀的軟體機器人。該項目在 IEEE 機器人與自動化國際會議(ICRA)展出。

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只需要三個步驟,就可以把黏土改造成變形機器人

讓一塊黏土成為一個可以變形的機器人要怎麼做?

耶魯大學的研究人員告訴你只需要三個步驟:

1、先把一塊黏土搓成一個圓柱

2、給黏土穿上第一層「衣服」

3、給黏土穿上第二層「衣服」

現在你就得到了一隻會變形、會越障的「進擊的黏土」!

為了實現運動和變形行為,研究人員製作了兩個機器人表層皮膚,以對應不同的任務。它們分別為變形層(Morphing Skin)和運動層(locomotion skin)。這兩層可以彼此疊合,或者甚至通過縫合或膠黏成為一體。

圖 1:變形層(Morphing Skin)和運動層(locomotion skin)

變形層(Morphing Skin):一張會捏黏土的網

變形層直接包裹在黏土上,為了實現高可塑性,研究人員使用密集的特製繩索,像織毛衣一樣縫在一塊氨綸基材上,然後透過纏繞馬達的伸縮拉扯,實現對黏土形狀的改變。

具體來說,變形層是由多根平行縫在氨綸織物基材上的電纜組成(圖 1,左)。首先,織物較短的邊緣,對應於電纜的終端,用矽橡膠加固(DragonSkin 10,Smooth-On),然後將 Paracord(一種直徑 1.18 mm 的繩索)縫入織物(1520 公分),縫合間距為 0.75 公分,電纜與電纜間距為 0.75 公分,總共 20 根電纜。1 公分長的布片沿著布片較短的邊緣固定在加強片上,這樣變形層就可以安全地包裹在黏土上。

圖 2:(A)變形層。(B)伺服電機將多根電纜繞過 Bowden 電纜護套。(C)運動層。(D)8 個氣動調節器控制氣囊的充氣和放氣。

實用的變形層設計對電纜的抗拉強度、可縫性和適當的電纜間距都有要求。儘管增加電纜密度有利於提高變形的精確度,但隨著電纜數量的增加,電纜與電纜之間的摩擦以及相關硬體的複雜性也會引發問題;但是間距過於稀疏又可能會導致局部擠壓,無法將驅動轉化為黏土體的整體變形。因此,變形層的設計與所選黏土材料特性的相容性是有關的。

變形過程是透過電纜的拉扯改變黏土的徑向收縮達成。每根電纜可以改變它所包圍的圓形截面的半徑,因此產生的形狀跨越所有徑向對稱的形狀,如圓柱體、啞鈴和圓錐體。透過對電纜進行縱向定位,可以得到形狀變化所需的彎曲運動或類似於蠕蟲的運動。

運動層(locomotion skin):雙排氣囊組成的移動裝置

機器人的運動策略有很多種,包括但不限於四足運動、滾動(通過控制重心的移動或材料的局部擠壓來驅動)、和履帶式運動。這款機器人主要利用滾動進行運動。

為了實現移動,運動層是在矽膠薄膜中製作了一系列面向外部、平行的氣囊(圖 1,右)。矽酮彈性體作為棒塗層上 PET 薄膜,形成一個 20×15× 0.2 cm 的平面。固化後,氣囊被雷射切割成 PET 薄膜,留下未切割的矽樹脂層。

被切割後的氣囊排列在運動層的表面,研究人員考慮了三種佈局設計:一排,兩排和多排氣囊。對於單排設計,氣囊的形狀以及無缺陷的製造更為關鍵,因為任何不對稱都會導致不均勻的膨脹,從而導致無意的轉動。採用雙排設計,不對稱性不是問題,因為每個執行器僅在皮膚的末端操作。而多排氣囊導氣管的安裝過於麻煩,所以研究人員最終選擇了雙排氣囊。

然後將運動層覆蓋在變形層上,按照一定順序向氣囊充氣使其膨脹,從而產生滾動運動(如下圖所示)。

忽略摩擦,角加速度與力矩(相當於來自氣囊的切向力)和轉動慣量的比值成正比:α=T/J。因此,在低加速度下,可以用相對較小的力來完成一塊黏土的滾動。研究人員發現很小的壓力(≈3psi)足以快速有力地給氣囊充氣,從而實現運動。

未來應用廣泛,可以搭載感測器協助搜救

通常,機器人專家需要去想機器人要完成的功能,再去著手設計這款機器人,因為這些功能決定了機器人的形狀。但是為了完成更廣泛的任務,或者能夠在未知或高度變化的環境中工作,能夠改變自身形狀的機器人就可以提供很強的通用性。

這種變形功能和運動功能可以互補的機器人,未來的應用可以預期將會十分廣泛。

例如在搜救工作中,就可以使用黏土作為材料,作為如感測器或信號發射器等裝置的有效載體。由於擁有變形的能力,就可以用一個大直徑的圓柱體快速穿越平坦的地形,而當遇到障礙時,黏土機器人可以改變形狀,通過障礙。

或者更廣泛地說,應用方面還包括資源有限的情況,例如透過改變形狀,可以從一個球狀機器人變成一個機器手臂關節。利用這種變形系統,可以將黏土機器人變換成不同的形狀以執行不同的功能。

原文 報導

(本文經合作夥伴 大數據文摘 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈耶鲁开发“进击的黏土”!穿两层衣服就变身机器人:给自己捏形状,还能越障 〉。首圖來源: 大數據文摘

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