加州大學(xué)開發(fā)氣動(dòng)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 成功操縱軟體機(jī)器人演奏曲子

“腦袋”里只有空氣，就能彈奏出 8 小節(jié)的樂章。這個(gè)軟體機(jī)器手彈鋼琴，核心居然全靠空氣驅(qū)動(dòng)。

最近，加州大學(xué)河濱分校的學(xué)者們開發(fā)出了一個(gè)氣動(dòng)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)，并成功用它操縱軟體機(jī)器人演奏了一首曲子。用氣流閥取代電子晶體管，用氣動(dòng)邏輯取代計(jì)算機(jī)邏輯，研究人員成功讓這個(gè)機(jī)器人擺脫了傳統(tǒng)機(jī)電元件的控制系統(tǒng)。

連接其“手”、“腦”的也不再是電線，變成了透明的氣流管道。它們一端連接著氣動(dòng) RAM，另一端連接著機(jī)器人的手指。通過改變管道內(nèi)的氣壓，就能控制機(jī)器人手指按下琴鍵。從單個(gè)音符、和弦到演奏一整首曲子，這個(gè)機(jī)器人都能分分鐘拿下。

而這都還只是氣動(dòng) RAM 小試牛刀罷了。據(jù)研究人員介紹，一個(gè) 10 位的氣動(dòng) RAM，就能實(shí)現(xiàn) 900 個(gè)獨(dú)立執(zhí)行器能完成的任務(wù)。這有效解決了目前很多氣動(dòng)機(jī)器人依舊使用機(jī)電結(jié)構(gòu)的困境。而且它的體積更小、重量更輕，能夠大幅降低氣動(dòng)軟體機(jī)器人的成本、尺寸和功率需求。要知道，充氣軟體機(jī)器人的使用前景是非常廣闊的。由于其柔軟性、安全性更高，在執(zhí)行精細(xì)任務(wù)上比傳統(tǒng)剛性機(jī)器人具備更大優(yōu)勢(shì)。比如人畜無害的大白 (●—●)，就是一個(gè)非常典型的充氣機(jī)器人。這無疑打破了軟體機(jī)器人在使用場(chǎng)景上的許多局限性，目前該研究已在開放性期刊《PLOS One》上發(fā)表。

氣動(dòng) RAM 操控更多通路

想要用氣體讓機(jī)器人彈奏出音樂，主要依靠?jī)蓚€(gè)部分：氣動(dòng) RAM 和單片隔膜閥。氣動(dòng) RAM 其實(shí)是一個(gè)用微流控閥代替晶體管的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器。能夠?qū)崿F(xiàn)記憶、維持機(jī)器人執(zhí)行器狀態(tài)，主要靠的就是這個(gè)微流控閥，它最初是被用在微流控芯片上控制液體流動(dòng)，這些閥門能夠在氣流供應(yīng)斷開時(shí)，仍舊保持壓力差存在。而且這些閥門還可以組成復(fù)雜的密集陣列，來執(zhí)行很多高級(jí)操作。比如在這個(gè)彈鋼琴的軟體機(jī)器人身上，研究人員制作了一個(gè)八位的非易失性 RAM。

與傳統(tǒng)電路中單個(gè)通路控制單個(gè)執(zhí)行器不同，使用氣動(dòng) RAM 可以用 n 個(gè)通路控制 2 的 n-1 次方個(gè)執(zhí)行器。也就是說，同樣 4 個(gè)通路的情況下，氣動(dòng) RAM 可以控制 8 個(gè)機(jī)械手指的獨(dú)立性操作。那么機(jī)械手指是如何彎曲并敲下琴鍵的呢?這時(shí)就需要?dú)饬鞯菆?chǎng)了。氣動(dòng) RAM 所控制的單個(gè)通路上，都有一個(gè)隔膜閥。

它主要由輸入通道、輸出通道和控制通道組成，中間有一個(gè)可移動(dòng)的硅膜。通過改變控制通道中的氣壓，讓硅膜移動(dòng)，從而控制氣閥中氣流的流動(dòng)。

當(dāng)控制通道為真空狀態(tài)時(shí)，硅膜就會(huì)被拉入控制通道，與此同時(shí)輸入-輸出通道打開，氣流通過。這就表示為信號(hào)“1”，機(jī)械手指此時(shí)會(huì)彎曲。當(dāng)控制通道中有氣壓時(shí)，硅膜堵死整個(gè)通道，此時(shí)表示信號(hào)“0”，手指則為舒展?fàn)顟B(tài)。

考慮到傳統(tǒng)單片隔膜閥的氣流速度不夠高，大型或移動(dòng)速度快的機(jī)器人無法使用，研究人員還對(duì)此進(jìn)行了改進(jìn)。他們使用了多個(gè)規(guī)格相同的輸入、輸出通道，一方面消除了產(chǎn)生意外通路的可能，另一方面提高了氣流通過速度。

通過改變不同通道內(nèi)的氣壓，研究人員可以機(jī)器人在鋼琴上演奏出音符、和弦，甚至是一整首歌曲。值得一提的是，這個(gè)機(jī)器人的整套系統(tǒng)中，只有抽取真空的泵是用了電池的，其他部分沒有任何機(jī)電硬件，安全性很高。而且一個(gè) 10 位的氣動(dòng) RAM 就能包含 2046 個(gè)通路，每個(gè)閥門的面積僅為 7 平方毫米，這使得一個(gè) 10 位的氣動(dòng) RAM 差不多只有一個(gè)智能手機(jī)屏幕那么大。由于其安全、輕便的特性，將來可用于低齡殘障兒童的可穿戴設(shè)備上。

One More Thing

值得一提的是，今年 2 月加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員們也研發(fā)出了一款無電子元件、由氣體驅(qū)動(dòng)的軟體機(jī)器人，并登上《Science Robotics》的封面。

這個(gè)機(jī)器人的每條腿都由 3 條可伸縮的充氣橡皮管制造而成，四條腿呈 X 形相連，通過充氣或漏氣的設(shè)計(jì)就能走起路來。與機(jī)電組件組成的機(jī)器人比起來，輕便不少。它的核心其是一種由軟閥設(shè)計(jì)的環(huán)形振蕩器。

而今年 6 月，一個(gè)充氣挖掘機(jī)器人也登上《Science Robotics》封面?？磥恚瑲怏w軟體機(jī)器人真的是一個(gè)熱門研究領(lǐng)域啊!

關(guān)鍵詞： 加州大學(xué) 氣動(dòng)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 軟體機(jī)器人 演奏