據(jù)外媒報(bào)道，有研究人員提出了新的在顆粒介質(zhì)中挖掘的動(dòng)力學(xué)理解，結(jié)合關(guān)鍵結(jié)果設(shè)計(jì)出一款帶有尖.端延伸噴氣裝置的管狀機(jī)器人，控制地下的相互作用力來實(shí)現(xiàn)快速、可控的三維挖掘。

 

 

▍軟體機(jī)器人地下挖掘面臨阻力和升力 

機(jī)器人非常適合在極.端環(huán)境下使用，如太空、海底或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)。現(xiàn)在的機(jī)器人已經(jīng)可以上天下海，并且在陸地上進(jìn)行各種自.由活動(dòng)。然而，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的一個(gè)前沿領(lǐng)域仍未被探索，那就是地下。

 

讓機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，非常大挑戰(zhàn)是其所涉及到的各種力，空氣和水對(duì)于穿過它們的物體阻力很小，但是進(jìn)入地下世界就是另一回事了。如果你試圖鉆進(jìn)地下，就必.須將土壤、沙子或其他介質(zhì)都推開。
 

 

在地下運(yùn)動(dòng)很困難，部分原因是土壤和顆粒介質(zhì)產(chǎn)生的阻力不僅比空氣或水產(chǎn)生的阻力大幾個(gè)數(shù)量級(jí)，還存在一種不同類型的升力?，F(xiàn)有挖掘方法大都依賴于大型機(jī)械裝置，這些裝置具有堅(jiān)硬和巨大的部件，常規(guī)方法如螺旋鉆機(jī)、液壓旋轉(zhuǎn)鉆機(jī)、隧道鉆機(jī)等有效的克服了這些力；但是大型裝置的挖掘方式并不適合小型、微創(chuàng)機(jī)器人。機(jī)器人挖掘地下方面還面臨很多挑戰(zhàn)。
 

研究人員從地下空間活動(dòng)的植物和動(dòng)物身上汲取靈感，開發(fā)出了一種快速、可控的軟體機(jī)器人，這款機(jī)器人目前成功實(shí)現(xiàn)在沙子中挖洞。此項(xiàng)技術(shù)不僅實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在地下進(jìn)行快速、精確、小范圍運(yùn)動(dòng)，還奠定了這類新型機(jī)器人的機(jī)械基礎(chǔ)。

 

▍自然界可替代挖洞思路

自然界在地下生長延伸成網(wǎng)絡(luò)的植物和真菌為研究人員提供了許多地下運(yùn)動(dòng)的例子，而動(dòng)物則掌握了直接穿過顆粒介質(zhì)的能力。從機(jī)械物理角度理解植物和動(dòng)物如何掌握地下運(yùn)動(dòng)能力，為科學(xué)和技術(shù)開辟了許多可能性。

 

研究不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游動(dòng)和挖掘原理得出的發(fā)現(xiàn)，可以用來開發(fā)新型機(jī)械和機(jī)器人。反過來，開發(fā)具有這種能力的機(jī)器人可以促進(jìn)新的動(dòng)物研究，以及顆粒基質(zhì)物理學(xué)中新現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。

 

新研發(fā)的這款藤蔓狀軟體機(jī)器人模仿了植物其他部分保持靜止情況下，根部尖.端生長運(yùn)動(dòng)的方式。在地下環(huán)境中，尖.端生長保持較低的阻力，但僅局限于生長端；如果整個(gè)機(jī)器人身體隨著“長大”而移動(dòng)，介質(zhì)表面的摩擦力會(huì)隨著機(jī)器人更多部分進(jìn)入沙子而增加，直到機(jī)器人不再移動(dòng)。

 

▲策略1：尖.端延伸

 

穴居動(dòng)物啟發(fā)了另一種稱為顆粒流化的策略，該策略是將顆粒轉(zhuǎn)化成類似懸浮流體的狀態(tài)，使動(dòng)物能夠克服沙子或松散土壤帶來的高阻力。例如，章魚會(huì)向地下噴射一股水流，然后用它的觸手將自己拉入暫時(shí)松動(dòng)的沙子中。研究人員在機(jī)器人上安裝了一種基于尖.端的流動(dòng)裝置，該裝置將空氣噴射到尖.端之前的區(qū)域，使機(jī)器人能夠進(jìn)入該區(qū)域。

 

▲策略2：空氣流體

 

研發(fā)過程中遇到的大挑戰(zhàn)是切換到機(jī)器人在水平方向上挖洞時(shí)，機(jī)器人總是會(huì)浮出來。盡管氣體或液體可以均勻的在對(duì)稱物體的上方和下方產(chǎn)生流動(dòng)，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且對(duì)水平運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人產(chǎn)生了顯著的上升力。將沙子推開，比將其壓實(shí)要容易得多。

 

為了了解機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)情況和探究空氣輔助進(jìn)入的大部分未知物理特性，該團(tuán)隊(duì)測(cè)量了機(jī)器人從水平方向推入沙子，其尖.端實(shí)心棒附近流入的不同角度氣流導(dǎo)致的阻力和升力。 

 

顆粒材料中產(chǎn)生的摩擦力與牛頓流體中產(chǎn)生摩擦力有很大不同，因?yàn)橛捎诟吣Σ亮?，機(jī)器人進(jìn)入沙子，會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上壓實(shí)和擠壓大片空間。為了緩解這種情況，一種將顆粒物體提升和推開的低密度流體通常會(huì)減少機(jī)器人需要克服的靜摩擦力。

 

與氣體或液體不同，向下的流體噴射會(huì)為移動(dòng)的物體產(chǎn)生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)在延伸出的尖.端下方挖洞。結(jié)合從沙漠蜥蜴那獲得的靈感，類似沙漠蜥蜴楔形的頭部有利于機(jī)器人向下運(yùn)動(dòng)，使研究人員能夠調(diào)節(jié)阻力并保持機(jī)器人水平移動(dòng)而不會(huì)從沙子中浮出。

 

▲策略3：不對(duì)稱氣流噴射設(shè)計(jì)

 

▍氣動(dòng)尖.端延伸助力機(jī)器人快速挖洞

三種機(jī)器人挖掘策略效果都很明顯：

 

采用尖.端延伸設(shè)計(jì)可以減少機(jī)器人所受阻力。軟體機(jī)器人和剛性材料機(jī)器人在相同類型的沙子表面向下挖洞時(shí)，其前端阻力相同，但軟體機(jī)器人的接觸阻力較少，可以實(shí)現(xiàn)高速挖洞。 

 

局部顆粒流化減少阻力。軟體機(jī)器人從尖.端噴射氣流后，降低了穿過干燥沙子的阻力，并且機(jī)器人受到的阻力與進(jìn)入深度非線性比例增長，而隨著噴射氣體流速增加會(huì)大致比例減少。

 

而不對(duì)稱的向下氣流可以控制機(jī)器人受到的升力。在大多數(shù)噴射氣流角度下，增加氣流會(huì)降低沙子帶來的升力。但是比較出乎意料的是不論氣流大小，在30度方向噴射氣流角度時(shí)，機(jī)器人受到的升力zui大。 

 

 

新款軟體機(jī)器人在長、淺、定向挖洞方面有更好的性能。像這樣的小型探索性軟體機(jī)器人具有多種應(yīng)用，可以完成需要在干燥的顆粒介質(zhì)中進(jìn)行表層挖洞的事情，例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和防侵蝕控制。

 

機(jī)器人控制尖.端延伸方向并調(diào)節(jié)它在介質(zhì)中錨定的牢固程度，這種控制對(duì)于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。未來的某一天，這款軟體機(jī)器人在月球甚至更遠(yuǎn)的天體上開發(fā)挖洞技術(shù)也未可知。
 

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