研究人员用挖洞软机器人探索浅层地下世界

我们已经看到机器人腾空而起，潜入海浪之下，并在陆地上进行各种动作。现在，加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员正在探索一个新领域：我们脚下的土地。他们从已经进化到可以在地下空间中航行的植物和动物中汲取灵感，开发出一种快速、可控的软机器人，可以在沙子中挖洞。该技术不仅可以实现地下快速、精确和微创运动的新应用，而且还为新型机器人奠定了机械基础。

加州大学圣巴巴拉分校机械工程教授 Elliot Hawkes 实验室的研究生研究员、Science Robotics杂志封面论文的第一作者 Nicholas Naclerio 说：“在地面上移动的最大挑战只是所涉及的力。” . 他解释说，尽管空气和水对穿过它们的物体几乎没有阻力，但地下世界是另一回事。

“如果你试图穿过地面，你必须将土壤、沙子或其他介质推开，”Naclerio 说。

幸运的是，自然界以植物和真菌的形式提供了许多地下导航的例子，这些植物和真菌构建了地下网络，而动物已经掌握了直接穿过颗粒介质的能力。佐治亚理工学院 Dunn Family 物理学教授 Daniel Goldman 表示，对植物和动物如何掌握地下导航的机械理解为科学和技术开辟了许多可能性。

“发现不同生物体在颗粒介质中成功游泳和挖掘的原理可以导致开发新型机制和机器人，这些机制和机器人可以利用这些原理，”他说。“反过来，开发具有这种能力的机器人可以激发新的动物研究，并指出颗粒基质物理学中的新现象。”

研究人员在霍克斯实验室设计的藤蔓状软机器人取得了良好的开端，该机器人模仿植物及其从尖端生长的导航方式，而身体的其余部分保持静止。根据研究人员的说法，在地下环境中，尖端延伸保持较低的抵抗力，并且仅局限于生长端;如果整个身体随着长大而移动，整个表面的摩擦会随着更多机器人进入沙子而增加，直到机器人不再移动。

与此同时，穴居动物启发了另一种称为颗粒流化的策略，该策略将颗粒悬浮在类似流体的状态，并使动物能够克服沙子或松散土壤带来的高阻力。例如，南方沙章鱼会向地下喷射一股水流，然后用它的手臂将自己拉入暂时松动的沙子中。这种能力以一种基于尖端的流动装置的形式进入研究人员的机器人，该装置将空气喷射到生长末端之前的区域，使其能够进入该区域。

“我们发现的最大挑战也是解决时间最长的问题是当我们切换到水平挖洞时，我们的机器人总是会浮出水面，”Naclerio 说。他解释说，尽管气体或液体均匀地流过对称物体的上方和下方，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且为水平移动的机器人创造了显着的升力。“将沙子向上推开，比将其压实要容易得多。”

为了了解机器人的行为和空气辅助入侵的大部分​​未探索物理特性，该团队进行了阻力和升力测量，这是由于气流从水平推入沙子的实心杆的尖端进入的不同角度。

“颗粒材料中的摩擦力响应与牛顿流体的摩擦力响应大不相同，因为由于高摩擦，侵入沙子会在运动方向上压实和挤压大片地形，”高盛实验室的研究生研究员安德拉斯卡尔赛说。“为了缓解这种情况，一种将谷物从入侵者手中提升和推开的低密度流体通常会减少它必须克服的净摩擦应力。”

与气体或液体不同，向下的流体喷射会为移动物体产生升力，而在沙子中，向下的气流降低了升力，并在机器人生长的尖端下方挖掘了沙子。结合沙鱼蜥蜴的灵感，沙鱼蜥蜴的楔形头部有利于向下运动，使研究人员能够调节阻力并保持机器人水平移动而不会从沙子中升起。

像这样的小型探索性软机器人具有多种应用，需要在干燥的颗粒介质中进行浅挖洞，例如土壤采样、公用事业的地下安装和侵蚀控制。尖端延伸可以改变方向，同时还允许机器人的身体调节它在介质中锚定的牢固程度——这种控制对于在低重力环境中的探索非常有用。事实上，该团队正在与 NASA 合作开展一个项目，为月球甚至更远的天体(如木星卫星土卫二)开发挖洞技术。

“我们相信挖洞有可能为外星机器人开辟新的途径并实现新的能力，”霍克斯说。