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本世纪初,乔治·怀特赛德斯(George Whitesides)帮助改写了机器的规则,发明了受生物学启发的“软机器人”。现在,在一些塑料吸管的帮助下,他又准备重写一遍。

受到节肢动物和蜘蛛的启发,怀特赛德斯和亚历克斯·内米罗斯基(Alex Nemiroski)创造了一种能够站立和行走的半软机器人。内米罗斯基曾是怀特赛德斯哈佛实验室的博士后。该团队还创造了一个机器人水漫游者,能够推动自己沿着液体表面。最近发表在《软机器人》(Soft Robotics)杂志上的一篇论文对这些机器人进行了描述。

早期的软机器人可以通过在体内充气来站立和笨拙地行走,与之不同的是,新机器人的设计要灵活得多。尽管现实世界的应用还很遥远,研究人员希望这些机器人最终能用于自然灾害后的搜索行动或冲突地区。

“放眼世界,有很多东西都非常敏捷,比如蜘蛛和昆虫,”哈佛大学(Harvard)伍德福德·l·弗劳尔斯(Woodford L. and Ann a . Flowers University)和安·a·弗劳尔斯(Ann a . Flowers University)教授怀特赛德斯(Whitesides)说。“它们可以快速移动,爬上各种各样的物体,而且能够做大型、坚硬的机器人无法做的事情,因为它们的重量和形状因素。”它们是地球上最多才多艺的生物之一。问题是,我们如何才能建造出这样的东西?”

内米罗斯基说,答案就在你的普通吸管里。

“这一切都始于乔治的一个观察,聚丙烯管有一个很好的强度重量比。这为创造比纯粹的软机器人拥有更多结构支持的东西打开了大门,”他说。“这是我们的基础,然后我们从节肢动物身上得到了灵感,想要弄清楚如何制作关节,以及如何将管子用作外骨骼。”接下来的问题是,你的想象力能走多远?一旦你有了乐高积木,你能用它建造什么样的城堡呢?”

他说,他们建造的是一个非常简单的接头。

怀特赛德斯和内米罗斯基首先在稻草上切一个缺口,让它们弯曲。然后,科学家们插入短长度的油管,当充气时,会迫使关节伸展。当油管放气时,连接在两侧的橡胶肌腱会导致接头收缩。

有了这个简单的概念,团队建造了一个能够爬行的单腿机器人,随着他们增加了第二条腿,然后是第三条腿,机器人可以独立站立,复杂性也随之提高。

内米罗斯基说:“随着系统复杂性的每一个新水平,我们将不得不回到最初的关节,并进行修改,使其能够施加更大的力,或能够支持更大机器人的重量。”“最终,当我们升级到6条或8条腿的关节机器人时,从编程的角度来看,让它们走路变成了一个挑战。例如,我们看着蚂蚁和蜘蛛四肢的运动序列,然后试图弄清楚这些运动方面都适用于我们在做什么,还是我们需要开发自己的类型的行走针对这些特定类型的关节”。

虽然内米罗斯基和同事们能够用注射器手动控制简单的机器人,但随着设计的复杂性增加,他们转向电脑来控制四肢的排序。

“我们组装了一个由Arduino运行的微控制器,它使用阀门和一个中央压缩机,”他说。“这让我们能够自由地快速进化它们的步态。”

尽管内米罗斯基和同事们能够用他们的六条腿机器人模仿蚂蚁独特的“三角形”步态,但事实证明,模仿蜘蛛般的步态要棘手得多。

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内米罗斯基说:“蜘蛛有能力调整自己伸展和收缩关节的速度,以适应四肢在任何时候向前或向后运动的时间。”“但在我们的情况下,关节的运动是二元的,因为我们的阀门系统很简单。要么将阀门切换到压力源,使关节内的气球充气,从而延长假肢,要么将阀门切换到大气中,使关节充气,从而收缩假肢。所以在八足机器人的情况下,我们必须发展我们自己的步态与我们关节的二元运动相容。我敢肯定这不是一种全新的步态,但我们无法为这个机器人精确模仿蜘蛛的动作。”

内米罗斯基说,开发一种能够微调腿部驱动速度的系统,将是未来研究的一个有用目标,而且需要对每个关节的流量进行可编程控制。

他说:“我们达到了这个系统的极限,实际上我对此非常自豪,因为这意味着我们把它推到了绝对极限。”“我们研究了这个基本概念,然后问我们能走多远,才能彻底改变这些肢体的工作方式。我们发现,这个极限出现在八足机器人身上。”我们能够让它行走,但如果你想让它走得更快,或者增加更多的四肢——例如,支撑一个负载——你就必须从头开始重新思考这个系统。”

尽管这些机器人要在现实世界中应用可能还需要几年的时间,怀特赛德斯相信,他们开发过程中使用的技术——尤其是日常现成材料的使用——可以为未来的创新指明方向。

“我不认为有任何理由重新发明轮子,”他说。“如果你看看吸管,它们可以有效地、零成本、高强度地制造吸管,那么为什么不使用它们呢?”这些都是学术上的原型,所以它们的重量很轻,但用一种可以承受相当重量的轻质结构聚合物来建造它们是相当容易的。”

“这里真正吸引人的是简单,”内米罗斯基补充说。“这是乔治一段时间以来一直支持的东西,也是我在他的实验室里逐渐欣赏的东西。尽管我们从这些机器人身上获得了复杂的运动和结构完整性,但它们在构造和控制方面非常简单。”使用一种简单、容易找到的材料和执行器的单一概念,我们可以实现复杂的多维运动。”

这项研究得到了美国能源部、DARPA、加拿大自然科学与工程研究委员会、国家科学基金会、瑞典研究委员会和哈佛大学威斯生物启发工程研究所的资助。

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