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Science Robotics发表具有固液特性的自组织模块化机器人来了

机器人大讲堂 · 公众号 · · 2024-03-16 12:05

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鱼群、蜂群和椋鸟群在自然界中表现出自组织蜂拥行为，它们能够像液体一样同步流动，并拥有出色的协调变换能力，这一现象引起了科学家们的广泛关注。

芝加哥大学Heinrich Jaeger、James Franck Institute以及Baudouin Saintyves等人，运用流体力学的视角，将物理学原理应用于模块化自适应机器人技术的开发。

颗粒机器人：连接软机器人技术和活性颗粒材料的模块化平台

自组织蜂拥行为能够使蜂群在没有组织者的情况下协同运动，像液体一样流动并对环境作出迅速反应。这一独特的群体行为启发了三位科学家的灵感， 他们设计的自组织模块化机器人名为 "Granulobot" 。

该机器人拥有出色的分裂、重新组合及重组能力，可根据环境变化灵活调整自身形态。 根据特殊的构造差异，它既能展现如固体般的坚固特性，又能展现如液体般的流动特性。

自组装、形状变换和动态重构

研究团队表示，这种 自组织集合系统模糊了软体、模块和蜂群机器人技术之间的区别 。该原型是与伊利诺伊理工大学芝加哥分校机械与航空航天工程系教授Matthew Spenko合作开发的，发表在《Science Robotics》上的论文对其进行了详细描述。

▍带有齿轮的粒状机器人——Granulobot

Granulobot粒状机器人由一组简洁的圆柱形齿轮装置构成， 装有两块可绕圆柱轴旋转的磁铁。其中一块磁铁自由转动，另一块由电池供电的电机驱动。 这种设计旨在利用磁力实现各单元间的连接，一旦相互耦合，即可推动邻近单元旋转。 通过各单元间的相互接触，整体得以协同移动，其行进方式类似于蜂群。

闭环链条的拉伸载荷响应

研究人员表示，软机器人技术领域在机器人与人类接触的应用方面极具吸引力。人们不希望自身受到伤害，软体机器人技术不仅限于安全性，还包括适用性。能改变形状的机器人可以爬进 "犄角旮旯" ，或者深入不确定的地形结构，用于搜救任务。

想要实现机器人在形态上的变化执行不同的功能，关键在于它能在刚与柔之间进行可预测和可逆的转换，粒状材料因其独特的物理特性为此类转换提供了可能性。 这类材料可以根据接触而并非温度在液态和固态之间转换。

颗粒机器人的设计、转子对负载的响应以及驱动

这种转换是由一种叫做 "干扰 "的现象引起的，当无序混沌系统中的粒子靠得太近，导致相互挤压，粒子流将会停止。凝聚态物理学家杰格用高速上的小汽车做比喻，当高速公路上所有小汽车都按固定速度行驶时，整个高速公路都是通畅的，但当一辆小汽车慢下来并且与旁边车道的小汽车并列前行时，高速公路就会变得拥堵。杰格解释道，当这种情况发生在颗粒材料中时，就类似于道路上的大规模交通堵塞。

因此研发人员利用现象制造了一种柔软的机器人抓手，可以抓取和固定任何形状的物体。这款抓手凭借其独特的设计和优异的性能，能够稳固抓取并固定各种形状和质地的物体，从而在实际应用中展现出巨大的潜力和广阔的应用前景。

▍Granulobot拥有丰富的可拓展性

研究人员指出，Granulobot 的设计旨在展示该团队的模块化自组织方法，但在未来，这些模块也许可以非常小--成千上万个单元如此之小，以至于整个群体看起来是一个单一的整体。 "另一个可以考虑的方向是把它们做得更大更多，这可能会非常有趣"。

Granulobot 运动策略示例

物理学往往依赖于特定的条件—极小或极冷或极热，如果脱离开特定的环境，这些物理学系统就不适配了，就连我们的生命也是如此，但Granulobot 所依据的物理学原理与大小和温度无关。 它们可以在水下工作，也可以在外太空工作。

此外，研究人员指出，根据环境的自我协调和能量传递，你的系统要么是可编程材料，要么是自主机器人，但我们所创造的Granulobot 正在模糊物质与机器人之间的边界。希望未来它在特种领域能够发挥更大的商用价值。

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Science Robotics发表 具有固液特性的自组织模块化机器人来了

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