耶鲁开发“进击的黏土”！穿两层衣服就变身机器人：给自己捏形状，还能越障

最新推荐文章于 2020-11-23 22:22:14 发布

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耶鲁大学研究团队利用黏土和特殊设计的双层皮肤，创造出一款能自主变形和移动的软体机器人。这款机器人通过内部电缆的拉扯改变黏土形状，并借助气囊实现滚动运动，展现了在搜救和资源受限环境下的潜在应用。

大数据文摘出品

来源：IEEE

编译：赵伟、曹培信

“终结者6：黑暗命运”要上映了，所有主演全部回归，让一众终结者迷们期待不已。

除了施瓦辛格的那句经典台词，“I will be back”，看过第二部的小伙伴应该都记得这个经典的场景。

文摘菌含泪表示，童年也被液态金属机器人T1000的恐惧支配过。

而近几年，随着机器人产业的发展，各个研究机构对于软体机器人的研究愈发重视。正如Science Robotics主编杨广中所说：机器人要突破马达+齿轮的工业时代印象。

IEEE也从2018年开始举办国际软体机器人大会Robosoft，今年是在韩国首尔举行的第二届。提交到大会的论文中，研究者们使用了各种各样的材料来实现机器人的柔性可变，比如嵌入式离子凝胶、离子聚合物、金属复合材料等，甚至是使用气体作为填充物。

最近，根据IEEE报道，耶鲁大学的研究人员用黏土作为填充物，利用一个变形层和一个运动层组成的表面，开发了一款可以根据环境改变自己形状的软体机器人。该项目在IEEE机器人与自动化国际会议（ICRA）展出。

黏土穿上两层衣服，变身“进击的黏土”

让一块黏土成为一个可以变形的机器人需要几步？

耶鲁大学的研究人员告诉你只需要三步：

1、先把一块黏土搓成一个圆柱；

2、给黏土穿上第一层“衣服”；

3、给黏土穿上第二层“衣服”。

现在你就得到了一只会变形、会越障的“进击的黏土”！

为了实现运动和变形行为，研究人员制作了两个机器人表层皮肤——对应不同的任务，称之为变形层（Morphing Skin）和运动层（locomotion skin）。这两层可以彼此叠合，或者甚至通过缝合或胶粘成为一体。

图1：变形层（Morphing Skin）和运动层（locomotion skin）

变形层（Morphing Skin）：一张会捏橡皮泥的网

变形层直接包裹在黏土上，为了实现高可塑性，研究人员使用密集的特制绳索像织毛衣一样缝在一块氨纶基材上，然后通过缠绕马达的伸缩拉扯实现对黏土形状的改变。

具体来说，变形层是由多根平行缝在氨纶织物基材上的电缆组成(图1，左)。首先，织物较短的边缘，对应于电缆的终端，用硅橡胶加固(DragonSkin 10，Smooth-On)。然后将Paracord（一种直径1.18mm的绳索)缝入织物(1520厘米)，缝合间距为0.75厘米，电缆与电缆间距为0.75厘米，总共20根电缆。1厘米长的布片沿着布片较短的边缘固定在加强片上，这样变形层就可以安全地包裹在黏土上。

图2：（A）变形层。（B）伺服电机将多根电缆绕过Bowden电缆护套。（C）运动层。（D）8个气动调节器控制气囊的充气和放气。

实用的变形层设计对电缆的抗拉强度、可缝性和适当的电缆间距都有要求。尽管增加电缆密度有利于提高变形的分辨率，但随着电缆数量的增加，电缆与电缆之间的摩擦以及相关硬件的复杂性也会引起问题。但是间距过于稀疏又可能会导致局部挤压，无法将驱动转化为黏土体的整体变形。因此，变形层的设计是由与所选黏土的材料特性的相容性是有关的。

变形过程是通过电缆的拉扯改变黏土的径向收缩达到。每根电缆可以改变它所包围的圆形截面的半径，因此产生的形状跨越所有径向对称的形状，如圆柱体、哑铃和圆锥体。通过对电缆进行纵向定位，可以得到形状变化所需的弯曲运动或类似于蠕虫的运动。

运动层（locomotion skin）：双排气囊组成的腿

机器人的运动策略有很多种，包括但不限于四足运动、滚动（通过控制重心的移动或材料的局部挤压来驱动）、和履带式运动。这款机器人主要利用滚动进行运动。

为了实现移动，运动层是在硅胶薄膜中制作了一系列面向外部、平行的气囊(图1，右)。硅酮弹性体作为棒涂层上PET薄膜，形成一个20×15× 0.2cm的平面。固化后，气囊被激光切割成PET薄膜，留下未切割的硅树脂层。

被切割后的气囊排列在运动层的表面，研究人员考虑了三种布局设计：一排，两排和多排气囊。对于单排设计，气囊的形状以及无缺陷的制造更为关键，因为任何不对称都会导致不均匀的膨胀，从而导致无意的转动。采用双排设计，不对称性不是问题，因为每个执行器仅在皮肤的末端操作。而多排气囊导气管的安装过于麻烦，所以研究人员最终选择了双排气囊。

然后将运动层覆盖在变形层上，按照一定顺序向气囊充气使其膨胀，从而产生滚动运动（如下图所示）。