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研究人員提出了新的在顆粒介質中挖掘的動力學理解，結合關鍵結果設計出一款帶有尖端延伸噴氣裝置的管狀機器人，控制地下的相互作用力來實現快速、可控的三維挖掘。
該論文題目為《軟體機器人通過控制地下力量實現快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日發表在《科學·機器人》上。
▍軟體機器人地下挖掘面臨阻力和升力
機器人非常適合在極端環境下使用，如太空、海底或災難現場。現在的機器人已經可以上天下海，并且在陸地上進行各種自由活動。然而，機器人運動的一個前沿領域仍未被探索，那就是地下。
論文的第一作者，來自加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校霍克斯實驗室（Hawkes Lab）的研究生尼古拉斯·納克萊里奧（Nicholas Naclerio）說：“在地面上讓機器人運動，最大挑戰是其所涉及到的各種力，空氣和水對于穿過它們的物體阻力很小。但是進入地下世界就是另一回事了。如果你試圖鉆進地下，就必須將土壤、沙子或其他介質推開。”
在地下運動很困難，部分原因是土壤和顆粒介質產生的阻力不僅比空氣或水產生的阻力大幾個數量級，還存在一種不同類型的升力。現有挖掘方法大都依賴于大型機械裝置，這些裝置具有堅硬而巨大的部件，常用裝置如螺旋鉆機、液壓旋轉鉆機、隧道鉆機等，有效地克服了這些力。但是大型裝置的挖掘方式并不適合小型、微創機器人。
適合機器人的機械挖掘方式被逐漸提出，包括螺桿鉆機、往復式鉆機、錘擊機制等。例如，美國宇航局（NASA）2018年向火星發射“洞察號”探測器時，裝備了一種挖掘機器人“鼴鼠”，就采用了自錘擊方式挖洞，但是受火星土壤性質影響，一直未能成功。2021年1月，相關工程師在最后一次嘗試后，放棄使用“鼴鼠”進行火星地底挖掘。可以看出，機器人挖掘地下還面臨很多挑戰。
研究人員從在地下活動的植物和動物身上汲取靈感，開發出了一種快速、可控的軟體機器人，這款機器人目前成功實現在沙子中挖洞。此項技術不僅實現機器人在地下進行快速、精確、小范圍運動，還奠定了這類新型機器人的機械基礎。
▍自然界可替代挖洞思路
自然界在地下生長延伸成網絡的植物和真菌為研究人員提供了許多地下運動的例子，而動物則掌握了直接穿過顆粒介質的能力。佐治亞理工學院物理學教授丹尼爾·戈德曼（Daniel Goldman）表示，從機械物理角度理解植物和動物如何掌握地下運動能力，為科學和技術開辟了許多可能性。
“研究不同生物體在顆粒介質中成功游動和挖掘原理得出的發現，可以用來開發新型機械和機器人。”戈德曼說：“反過來，開發具有這種能力的機器人可以促進新的動物研究，以及顆粒基質物理學中新現象的發現。”
霍克斯實驗室研究人員設計的藤蔓狀軟體機器人就是一個良好的開端，該機器人模仿了植物其他部分保持靜止情況下，根部尖端生長運動的方式。根據研究人員的說法，在地下環境中，尖端生長保持較低的阻力，但僅局限于生長端；如果整個機器人身體隨著“長大”而移動，介質表面的摩擦力會隨著機器人更多部分進入沙子而增加，直到機器人不再移動。
策略1：尖端延伸
穴居動物啟發了另一種稱為顆粒流化的策略，該策略是將顆粒轉化成類似懸浮流體的狀態，使動物能夠克服沙子或松散土壤帶來的高阻力。例如，章魚會向地下噴射一股水流，然后用它的觸手將自己拉入暫時松動的沙子中。研究人員在機器人上安裝了一種基于尖端的流動裝置，該裝置將空氣噴射到尖端之前的區域，使機器人能夠進入該區域。
策略2：空氣流體
納克萊里奧說：“我們的最大挑戰，也是花費時間最長的問題是，當機器人切換到在水平方向上挖洞時，它總是會浮出來。”他解釋道，盡管氣體或液體可以均勻地在對稱物體的上方和下方產生流動，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且對水平運動的機器人產生了顯著的上升力。“將沙子推開，比將其壓實要容易得多。”
為了了解機器人的運動情況和探究空氣輔助進入的大部分未知物理特性，該團隊測量了機器人從水平方向推入沙子，其尖端實心棒附近流入的不同角度氣流導致的阻力和升力。
“顆粒材料中產生的摩擦力與牛頓流體中產生的摩擦力有很大不同，由于高摩擦力，機器人進入沙子，會在運動方向上擠壓大片空間。”羅切斯特大學的高盛實驗室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡爾賽（Andras Karsai）說：“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減少機器人必須克服的靜摩擦力。”
與氣體或液體不同，向下的流體噴射會為移動的物體產生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，機器人實現在延伸出的尖端下方挖洞。結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器人向下運動，使研究人員能夠調節阻力并保持機器人水平移動而不會從沙子中浮出。
策略3：不對稱氣流噴射設計
▍氣動尖端延伸助力機器人快速挖洞
三種機器人挖掘策略效果都很明顯：
采用尖端延伸設計可以減少機器人所受阻力。軟體機器人和剛性材料機器人在相同類型的沙子表面向下挖洞時，其前端阻力相同，但軟體機器人的接觸阻力較少。相比與之前的InSight HP3探測器在沙子中0.14米每秒的速度，軟體機器人在沙子中的極限速度是每秒480厘米，已經可以實現高速挖洞。
局部顆粒流化減少阻力。軟體機器人從尖端噴射氣流后，降低了穿過干燥沙子的阻力，并且機器人受到的阻力與進入深度非線性比例增長，而噴射氣體流速增加會導致比例減少。
而不對稱的向下氣流可以控制機器人受到的升力。在大多數噴射氣流角度下，增加氣流會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，機器人受到的升力最大。
新款軟體機器人在長、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器人具有多種應用，可以完成在干燥的顆粒介質中進行表層挖洞的任務，例如土壤采樣、公用事業的地下安裝和防侵蝕控制。機器人控制尖端延伸方向并調節它在介質中錨定的牢固程度，這種控制對于在低重力環境中的探索非常有用。事實上，該團隊正在與NASA合作開展一個項目，在月球甚至更遠的天體（如木星、衛星、土衛二）上開發挖洞技術。
霍克斯（Hawkes）說：“我們相信挖洞有可能為外星應用機器人開辟新的途徑。”
▍新材料和新控制技術讓軟體機器人有更多可能
軟體機器人目前的研究涉及新材料和新控制技術，例如最新這款挖洞機器人就是參考自然界的植物、章魚、沙漠蜥蜴等鉆地挖洞的機制，設計新的控制技術，韓國首爾國立大學的J.-Y.Sun團隊研究了水凝膠這種新材料應用于制作軟體機器人組件。
傳統機器人大多是由限制彈性變形能力的剛性材料制成。軟體機器人這種新型仿生連續體機器人，可以在一定限度內隨意變化形態，彌補傳統機器人在適應多變環境上的不足，有望在生物工程、救災救援、工業生產、醫療服務、勘探勘測等領域發揮重要作用。
