馬里蘭大學(xué)打印軟體機(jī)械手 能流暢游玩超級(jí)馬里奧

美國(guó)馬里蘭大學(xué)的一組研究人員利用 3D 打印技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單次打印出具有集成流體回路的軟體機(jī)械手。這只機(jī)械手足夠柔軟靈活，甚至可以用來玩《超級(jí)馬里奧兄弟》游戲，而且還打贏了。

軟體機(jī)器人不需要金屬來制作，其內(nèi)部也沒有任何電子裝置，而是由一些較為柔軟的材料制成本體，并由水或空氣提供動(dòng)力。軟體機(jī)器人具有極強(qiáng)的適應(yīng)能力和較高的安全性，所以人們希望能夠?qū)⑺糜诩僦蛏镝t(yī)學(xué)領(lǐng)域。但是，控制并使用軟體機(jī)器人一直是一件較為困難的事，而馬里蘭大學(xué)的這項(xiàng)研究將改變這一現(xiàn)狀。

這項(xiàng)研究于 7 月 14 日登上了 Science Advances 雜志的封面，論文題目為《Fully 3D-printed soft robots with integrated fluidic circuitry》。

會(huì)玩超級(jí)馬里奧的機(jī)械手讓科研更有趣

軟體機(jī)器人與傳統(tǒng)機(jī)器人不同，它不需要金屬等材料，而是利用較為柔軟的材料制作本體。它的身體內(nèi)也不包含任何電子裝置，而是利用水或空氣等驅(qū)動(dòng)。軟體機(jī)器人的特性讓它能夠適應(yīng)各種非常規(guī)環(huán)境，并且與人類的交互也更安全。不過與傳統(tǒng)機(jī)器人相比，軟體機(jī)器人也更加難以控制。

“以前，軟體機(jī)械手的每個(gè)手指通常都需要自己的控制線，這會(huì)限制它的便攜性和實(shí)用性。但是我們通過 3D 打印制作出來集成流體晶體管的機(jī)械手克服了這一點(diǎn)，它甚至可以根據(jù)輸入的壓力值來玩游戲。”論文的共同第一作者 Joshua Hubbard 說。

該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)集成的流體回路，可以讓機(jī)械手的手指根據(jù)單個(gè)控制壓力的強(qiáng)度進(jìn)行操作。比如，施加較低的壓力可以讓食指按壓游戲手柄控制馬里奧行走，施加較高的壓力可以控制馬里奧跳躍等。在設(shè)定程序的引導(dǎo)下，流體回路在關(guān)閉、低壓、中壓、高壓之間切換，機(jī)械手便能夠在控制下按下游戲手柄上的按鈕，在90 秒內(nèi)完成超級(jí)馬里奧兄弟的第一關(guān)。

由于游戲的各項(xiàng)關(guān)卡有較明確的時(shí)間點(diǎn)，且只要出現(xiàn)錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致游戲結(jié)束，因此玩超級(jí)馬里奧兄弟成了評(píng)估軟體機(jī)器人性能的新方法。這項(xiàng)獨(dú)特的挑戰(zhàn)方式讓這項(xiàng)科學(xué)研究充滿了樂趣。

3D 打印讓軟體機(jī)器人的制作變得更簡(jiǎn)單

在過去的研究中，有些研究者試圖利用流體回路來增強(qiáng)軟體機(jī)器人的自主性，但是構(gòu)建這些流體回路并將其與機(jī)器人集成可能需要數(shù)天到數(shù)周的時(shí)間，并且對(duì)于技術(shù)水平、制作工藝等多方面都有較高的要求。

為了克服這些障礙，馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采取了一種新策略，轉(zhuǎn)向使用多材料“PolyJet 3D 打印”技術(shù)，在單次打印中增材制造具有完全集成流體回路的統(tǒng)一軟體機(jī)器人系統(tǒng)。

在制造開始前，研究團(tuán)隊(duì)利用 CAD 軟件設(shè)計(jì)和組裝模塊化組件，如流體回路元件、互聯(lián)件、接入端口、軟體機(jī)器人執(zhí)行器及結(jié)構(gòu)構(gòu)件等，以生成具有完全集成流體回路的軟體機(jī)器人 3D 模型。

PolyJet 打印是一種材料噴射的過程，在這個(gè)過程里多種光反應(yīng)性材料和犧牲性支撐材料被并行分配，以逐行、逐層的方式生產(chǎn)出 3D 對(duì)象。利用這種方式，研究團(tuán)隊(duì)只需在一天時(shí)間內(nèi)進(jìn)行很少的工作就可以得到一個(gè)隨時(shí)可用的完整的軟體機(jī)器人。

為研究軟體機(jī)器人，研究團(tuán)隊(duì)造了兩只烏龜一只手

研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)電信號(hào)的流體模擬，設(shè)計(jì)制作了三個(gè)具有不同集成流體回路的軟體機(jī)器人。

一個(gè)是在恒流輸入(類似于直流電信號(hào))條件下運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人烏龜，在這種條件下，烏龜?shù)啮捴珜?shí)現(xiàn)了連續(xù)的周期性的運(yùn)動(dòng)。另一個(gè)是在正弦輸入(類似于交流電信號(hào))條件下運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)器人烏龜，這種條件下，烏龜?shù)啮捴珜?shí)現(xiàn)了類似于游泳一樣的運(yùn)動(dòng)。

第三個(gè)是在預(yù)編程的非周期性輸入(類似于可變電流)條件下運(yùn)動(dòng)的軟體機(jī)械手。該機(jī)械手的手指由仿生材料制成，利用兩種材料的剛度差異模擬人類手指的彎曲行為。手指的非彎曲部分及其內(nèi)部使用由剛性材料打印的流體通道，而手指的關(guān)節(jié)部分使用的是由柔順材料打印的非對(duì)稱的波紋軟管。當(dāng)關(guān)節(jié)充氣膨脹時(shí)，較大的頂部膨脹會(huì)導(dǎo)致指尖向下運(yùn)動(dòng)施力。

研究團(tuán)隊(duì)正是利用這個(gè)工作原理，當(dāng)機(jī)械手工作時(shí)，連接至對(duì)應(yīng)手指的輸入源根據(jù)預(yù)先編訂的程序來驅(qū)動(dòng)手指產(chǎn)生不同力度的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)操控游戲手柄通過超級(jí)馬里奧兄弟游戲的第一關(guān)。

不過研究者也發(fā)現(xiàn)，與給電子電容器充電或放電的過程類似，軟關(guān)節(jié)組件在執(zhí)行充氣和放氣過程時(shí)也會(huì)出現(xiàn)時(shí)間上的延遲，因此在設(shè)計(jì)程序時(shí)需將這個(gè)因素考慮在內(nèi)。

為了讓機(jī)械手更有用，研究團(tuán)隊(duì)將項(xiàng)目開源

該團(tuán)隊(duì)已將這一項(xiàng)目開源，任何人都可以閱讀這篇論文。這項(xiàng)工作中的所有電子設(shè)計(jì)文件都被該團(tuán)隊(duì)上傳至開源社區(qū) GitHub，鏈接被作為補(bǔ)充材料放進(jìn)了論文(上文有論文鏈接)。

“我們免費(fèi)共享我們所有的設(shè)計(jì)文件，任何人都可以輕松下載，并按需修改或打印我們工作中的所有軟體機(jī)器人和流體回路元件。我們希望這種開源策略能讓這種具有集成流體回路的軟體機(jī)器人具有更高的可訪問性、易傳播性、可重復(fù)性和更廣的采用范圍，從而加速該領(lǐng)域的進(jìn)步。”馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程助理教授 Ryan D. Sochol 說。

目前，該團(tuán)隊(duì)正在探索將他們的技術(shù)用于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，包括康復(fù)設(shè)備、手術(shù)工具、可定制假肢等。

結(jié)語：控制難題被解決，軟體機(jī)器人落地應(yīng)用將加快

軟體機(jī)器人的概念已經(jīng)出現(xiàn)十多年，然而如何有效的控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)仍是一項(xiàng)較大的難題。馬里蘭大學(xué)的這項(xiàng)研究證明了通過流體回路能夠有效控制軟體機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并且通過 3D 打印大大降低了集成流體回路的軟體機(jī)器人的制作門檻。

得益于其自身的特性，軟體機(jī)器人在醫(yī)療健康、搶險(xiǎn)救災(zāi)、工業(yè)制造等領(lǐng)域有著較為廣泛的應(yīng)用前景。馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將其研究成果開源，將有利于軟體機(jī)器人研究的進(jìn)一步發(fā)展，進(jìn)而促進(jìn)軟體機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的落地與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 馬里蘭大學(xué) 軟體機(jī)械手 超級(jí)馬里奧 柔軟靈活