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恒达总代理软机器人在海洋中找到了一席之地

 


研究人员设计了一个海洋机器人,它能与环境融为一体(上图),并通过收缩人造肌肉来完成类似于鳗鱼幼体的波动运动(下图)。
 
一个几乎完全透明的物体在水中缓慢移动。在它的外观上,恒达总代理这个无色的结构有点像鳗鱼幼虫,这是有原因的:这个海洋机器人被设计成一个“小脑袋”,这是几个鳗鱼物种生命周期中一个奇怪阶段的名字。
 
加州大学圣迭戈分校(UCSD)的博士生Caleb Christianson说:“我们想制造一种软机器人,它可以在不破坏珊瑚礁的情况下在珊瑚礁周围游动。”
 
船用机器人有多种用途。石油和天然气行业使用无人驾驶汽车来完成安装水下结构物、建造管道和钻井等任务。与此同时,科学家们越来越多地将这种技术用于环境传感、生物研究以及寻找保护海洋资源的方法。
 
但大多数远洋机器人都有一个问题:它们很吵。螺旋桨和喷气机的分贝水平和震动吓跑了鱼和其他动物。更重要的是,大多数机器人是用金属框架建造的,这可能会撞到脆弱的海洋生物并破坏它们。克里斯蒂安森决定采取一种不同的方法,他说,设计融入了“没有任何刚性材料的肌肉”。“它们就是太软了。”
 
2016年5月,克里斯汀森和他在加州大学圣地亚哥分校的同事着手建造这个软机器人。他们并不是第一个把目光投向自然世界的人——其他研究小组已经把鱼和蝠鲼作为海洋机器人设计的基础。但克里斯蒂安森决定把重点放在鳗鱼的幼虫上,他发现这种鱼的波动运动是他们在实验室中研究的技术的理想模型。此外,复制幼虫的透明度将有助于团队的创造融入海洋环境。
 
为了制造出这种以鳗鱼为灵感的机器人,研究人员使用了透明的介电弹性体执行器(DEAs)——“对电刺激有反应的橡胶块,”克里斯蒂安森解释说。虽然橡胶本身不导电,但施加在弹性体上下表面的电压会使其变平,使材料变薄变长。
 
为了实现运动,每一块人造肌肉都需要两个电极:一个是橡胶里的一小袋水,另一个是实验室水箱里机器人周围的水。
 
最初,研究人员从两个驱动器开始,背对背放置,具有向右或向左弯曲的能力。为了获得更流畅的运动和更强的推进力,该团队接下来端对端放置了三对执行器,创造了一个22厘米长、5厘米高、1.5毫米厚的机器人。“我们安排了几个这样的装置,我们可以得到一个波动的运动,以模仿鳗鱼游泳的动作,”克里斯蒂安森说。通过外部电缆将电压从机器人的前部到后部以对角对的方式施加到6个执行器上,克里斯蒂安森的团队能够刺激机器人在坦克周围做出类似鳗鱼的动作。

就在这个项目进行到2017年6月左右的时候,恒达招商加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所的海洋生物学家迪米特里·德海恩(Dimitri Deheyn)参与了这项研究。为了观察机器人与它的灵感有多相似,Deheyn使用了高光谱成像系统,让样本的每个像素都有自己的光谱特征。通过机器人的光越多,它在开放的海洋中就越不显眼。Deheyn说:“我们能够有很高比例的光通过,接近85%到95%或更多,这表明它是真正的透明机器人,而不是半透明机器人。”在光线较弱的区域,透明度与鳗鱼幼虫的骨块相当(Sci Rob, 3:eaat1893, 2018)。
 
研究人员还发现,他们可以在他们的机器人身上复制鳗鱼生物学的另一个方面——荧光——通过在液囊电极上添加一种染料。某些种类的鳗鱼天生会发出荧光,这可能是它们在产卵时交流的一种方式,也可能是它们吸引猎物的一种方式。但是,研究人员在他们的论文中指出,荧光可能对水下机器人也有用,因为其他通讯渠道,如无线电波,在水下是不实用的。
 
不过,这个灵感来自鳗鱼的装置还没有完全准备好在海洋中使用。目前的原型以每秒1.9毫米的速度前进,而应用电压的电子元件则漂浮在水箱的水面上。“它移动的速度非常慢,”澳大利亚悉尼大学(University of Sydney)研究海洋机器人的斯特凡·威廉姆斯(Stefan Williams)说,他没有参与这项研究。“我认为在电力和大规模建设这些东西方面会有一些挑战。”
 
电力并不是阻止eelbot与现有海洋研究模型竞争的唯一障碍。目前可用的水下设备可以远程操作,从船上或岸上发射,可以在水中停留数周或数月。它们还拥有传感器,使科学家能够记录一些参数,如水的盐度、pH值和温度。
 
克里斯蒂安森说,研究小组计划让这个机器人“不受束缚”,这样它就可以走得更远。在未来,软机器人也可以被改造成拥有传感器和摄像头,尽管这可能会改变eelbot的重量和透明度。
 
伍兹霍尔海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution)海洋机器人中心(Center for Marine Robotics)的创始主任詹姆斯·贝灵汉(James Bellingham)没有参与这项研究。“做这项工作的人仍然在开发基本工具和探索设计空间。但看到进展非常令人兴奋。”

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