蠕动的乐趣，可战胜地下阻力的软体打洞机器人来了

撰文：刘芳
编审：王新凯

你见过像蚯蚓一样可以在地下自如伸缩随意打洞的软体机器人吗？

近日，加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员受植物根部和洞穴动物的启发，发明了一种可以在沙子中打洞的软体机器人。这项发明为人类挑战危险环境，探索未知疆界带来了无限可能。

相关论文以Controlling subterranean forces enables a fast, steerable, burrowing soft robot为题发表于Science Robotic期刊上，并成为当期封面文章。

地下复杂的阻力

在科技发展日新月异的今天，各种机器人争奇斗艳。在探索极端环境方面，机器人可以替代人类到达不能企及的疆域。在浩瀚的太空中和深不见底的海底，机器人都在协助人类对未知进行着不断探索。

不过到目前为止，能在地下打洞的软体机器人并不多见，主要障碍是地下复杂而特殊的阻力。

首先，土壤和颗粒介质（如沙子）中的阻力比空气或水中的阻力大几个数量级。这种阻力由颗粒摩擦产生。作者介绍称，物体在颗粒介质中所受阻力可以用摩擦力和压力产生的法向力和切向力（normal and tangential forces）积分计算。由于重力和摩擦的作用，在均匀颗粒介质中，静岩压力（ lithostatic pressure）和屈服强度（ yield strength）随深度线性增加。

除了阻力之外，机器人在地下运动时还要抗衡一种能让其偏离方向的特殊升力。这种固体颗粒升力与流体升力类似，但性质不同。由于强度梯度，将颗粒介质向上推比压实它更容易。换言之，作用在运动物体较深部分的法向力大于作用在较浅部分的法向力，从而引起与重力相反的升力。因此，通过颗粒介质水平移动的机器人总是会跑偏，被莫名的“推出地面” 。

章鱼哥带来了灵感

为了解决这两大问题，Elliot Hawkes实验室和Daniel Goldman实验室的研究人员从植物的根蔓和穴居动物中获取灵感，取得了令人惊叹的效果。

论文称，软体机器人首先借鉴了植物“根尖生长”的生物机制。对植物来说，靠近根部的区域可以保持相对稳定，由其根尖迅速生长，从而对土壤施加超过1兆帕的压力。举例来说，野生无花果树的根可以延伸到120米深，而美洲杨树(白杨)的根更能延伸到惊人的0.433平方公里。通过制作机械驱动的外翻皮肤，研究团队达到了和植物根蔓类似的“根尖生长”的效果，从而将阻力固定在机器人生长的一端。如果软体机器人整个身体都需要移动的话，它和颗粒之间的表面摩擦力会不断增加，直到不能移动为止。

研究团队的第二个灵感来自于穴居动物让颗粒流态化（granular fluidization）的本领。某些动物可以让颗粒流动起来，从而克服沙子或松散土壤带来的阻力。例如，南方沙章鱼（southern sand octopus）可以从身体喷出水柱，然后用手臂将自己拉进暂时松动的沙子中。受此启发，研究人员给软体机器人的前端装上了空气喷射装置，用于减少阻力。

图 | 南方沙章鱼 （southern sand octopus）（来源：维基百科）

最后，软体机器人借鉴了穴居动物不对称用力保持方向的原理，而这也是整个研究中的难点。 加州大学圣芭芭拉分校Elliot Hawkes实验室研究人员Nicholas Naclerio说：“我们最大的挑战是当机器人在进行水平挖掘时总会被升力推出地表。”他进一步解释到，气体或液体在移动物体的上下方是均匀流动的。但在流态化的沙子中，力的分布不是那么平衡，从而为水平移动的机器人制造了显著的升力。

图 | 沙鱼蜥蜴 (Scincus Scincus) （来源：维基百科）

研究人员认为，一些生活在沙漠中的爬行动物，如沙鱼蜥蜴 (Scincus Scincus) 和西方铲鼻蛇(Chionactis Occipitalis) 在沙子中打洞时可以使用楔形头部来调节移动方向。在头部向下时可能会产生负升力来帮助打洞，而头部向上时则可能会产生正的升力来浮出地面。实验中，楔形的顶端被证明可以对挖掘机器人的升力和水平转向都有影响。

打洞机器人的实验结果

在从生物界汲取了以上灵感后，研究人员分别就软体机器人的各项性能进行了测试。

图 | 带喷气装置的软体机器人

在第一项测试中，研究人员证实“根尖生长”减少的总阻力与表面阻力相等。这表示软体机器人受到的尖端阻力与固定深度的长度和路径无关。这对深度挖掘尤其重要。“根尖生长”还将机器人主体移动所需的外力的大小与移动尖端所需的力的大小成功分离。这意味着机器人可以在90厘米的长度上调节大约七倍的锚固力（anchoring force），对于较长的身体可以调节更多的锚固力。

研究团队在论文中介绍到，这款像蚯蚓一样的软体机器人是中空的，因此可以作为电线或灌溉管道的载体。它还可以根据需要绕过障碍物或在障碍物下伸缩弯曲。同时，这款机器人在地下打洞的速度达到480厘米/秒，接近其在空气中的极限。

图 | 软体机器人在打洞

在第二项的测试中，研究团队证实颗粒流态化减少了颗粒介质中的阻力。虽然深度、前端喷气的角度和力之间的关系是非线性的，但研究结果表明，前端喷气有效地减少了机器人在打洞时所需的力。令人惊讶的是，前端气流不仅在与运动方向一致时有效，且在垂直于运动方向时也有效。研究人员称，目前这款方法只在松散、干燥、无粘性的沙子中进行了演示。在粘性、潮湿或饱和的土壤环境中，其效果可能是有限的。不过他们相信水可以作为颗粒流态化的另一种方案 ，就像南方沙章鱼在钻进沙子前喷出水流那样。

在第三项测试中，研究人员发现不对称的向下气流可以控制升力，且这一结果对颗粒介质来说是独一无二的。因为在液体中，这种向下的气流会使升力增高。最奇妙的是向下气流所需掌握微妙的角度。在水平向下的30°角区域喷射气流反而会增加升力，对挖掘产生负面影响。不过在更大的深度和更高的流速下，这一现象不那么明显。

来，上火星去打洞

NASA好奇号火星车（Mars Curiosity），帮助发现泰坦尼克号的遥控飞行器小杰森 （Jason Jr.），以及东京电力公司用于进入福岛反应堆的一系列机器人等为科学做出了卓越贡献。对于这款像蚯蚓一样可以钻入沙子和泥土的机器人，研究人员给予了同样高的期望。

图 | Mars Curiosity（来源：NASA）

作者认为，传统的挖掘方法如如螺旋钻进（auger drilling）、液压旋转钻进（hydraulic rotary drilling）和全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine）等需要相当沉重的设备，相比这下，这款软体机器人小巧灵活，可以在人工快速实现立体挖掘。在地球上，它可以被用于土壤采样，无沟灌溉，电线或地热环路安装和搜索和救援等。同时，软体机器人还可以在外太空大放异彩，它可以登上火星上放置热传感器，在月球上的火山隧道进行探测，在小行星上采样或锚定。

也许在不久的将来，你也将拥有一台这样伸缩自如的钻洞机器人，探索一下脚下的土地里到底藏着怎样的秘密。

参考资料：
https://robotics.sciencemag.org/content/6/55/eabe2922‍