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受海星启发,卡内基梅隆大学研发出星型水下爬行机器人

2020/4/23 20:27:09

卡内基梅隆大学的研究人员最近研发了PATRICK,这是一种不受束缚的软体机器人,可以人工复制与海星关系密切的海洋无脊椎动物“脆星”的结构和行为。这种独特的仿生机器人发表在arXiv上的一篇论文中,它可以使用由形状记忆合金(SMA)线驱动的五条腿在水下爬行。
进行这项研究的研究人员之一扎克·帕特森(Zach Patterson)告诉TechXplore表示:“这项工作是对我们实验室先前工作的自然延伸,该工作是使用肌肉线代替电动机来创建不受束缚的软体机器人。” “我们对PATRICK的灵感来自于这颗脆弱的恒星,它是一颗相对海星而言异常敏捷的恒星。”

Patterson和他的同事开发的这款机器人可以完成水下的简单任务,也可以增强海星及其水下爬行行为的了解。为了重现海星最有效地在水下行走的能力,研究人员认为他们的机器人不应该被束缚在外部硬件上,因为这样可以让它更自由地四处移动。
PATRICK有五个由SMA线圈驱动的肢体,由形状记忆合金线圈提供动力。形状记忆合金是一种具有许多优越性能的金属,包括在室温下的高柔韧性和加热时的独特行为。事实上,当电流作用于SMA金属时,SMA金属会迅速升温,并恢复到过去的形状。
帕特森说:“我们将这些可变形的线圈用作一种 肌肉 ,使机器人的腿向所需的方向弯曲。机器人主要由硅树脂制成,具有很高的柔性和防水性。为了控制PATRICK的运动,我们开发了几种运动代码:特定的形状变化模式在使机器人整体运动的四肢之间协调一致。”
除了具有高度的灵活性外,Patterson及其同事还希望他们的机器人能够感知周围的环境,并选择自主移动的方向。为了实现这一目标,他们开发了一个框架,该框架允许机器人通过无线通信与水下设备进行通信。这为PATRICK提供了额外的功能,它不仅依赖于组成其主体的相对便宜的硬件组件,还允许PATRICK自主地感知其环境并执行计算。
图片来源:Patterson
由Patterson和他的同事开发的软体机器人的另一个有趣的特性是,它可以在水下执行各种可能的动作,因为它的腿由几个SMA“肌肉”组成,这些肌肉可以以不同的方式重新排列。这对于移动软体机器人来说有点罕见,它们通常只能进行一些简单的移动或运动。 Patterson说“我们演示了机器人可以实时移动到所需的目标,这在未系紧的软机器人中是第一次。”此外,我们还发现,即使在周围环境和机器人本身的行为存在很大的不确定性时,一个没有与任何外部硬件连接的软机器人也可以自己到达运动目标。事实上,由于温度、材料变形和摩擦等因素之间存在复杂的相互作用,我们永远无法确定机器人将如何响应给定的指令移动。”
PATRICK能够在水下自主移动是其灵活复杂结构的直接结果。尽管其复杂的设计也使其行为难以预测,但它最终使机器人能够通过变形和改变形状自动对环境中的干扰作出反应,而无需昂贵和高性能的控制算法。
将来,由这组研究人员开发的海星型机器人可能会具有许多有用的应用。例如,它可以用于进行地质勘探并实现微创生态或生物采样。此外,Patterson和他的同事们希望PATRICK也将有助于研究海星运动的机制。
在接下来的研究中,研究人员将试验更多的控制和计划算法,开发用于控制的机器学习方法,并在结构中增加传感器,以使机器人能够处理更多有用的任务。

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