说到水下软体机器人,大多都是模仿鱼类、海星、水母等生物。
落叶也能成为开发软体机器人的灵感?
还真有科学家在“树叶在空中飘动而掉落”中汲取灵感,开发了一款软体机器人,还登上了机器人顶级期刊《SCIENCE ROBOTICS》的封面!
这款机器人被称为“Swimming Leaf”,(下称“树叶”),由韩国首尔国立大学机械工程系的研究小组开发,能够自主游泳,向下游动时就和树叶飘落一模一样。
向上游动也没问题:
还具有整合探索和维护海洋环境所需的各种功能的潜力,比如捡起水底的塑料垃圾。
▍“树叶”水下飞舞的运动秘诀
要想设计一款会游泳的树叶机器人,就要先搞清楚落叶飘落时的运动动力学问题。
研究人员发现,树叶上有关键的9个质量点,每个点上的点质量会在质心和浮力之间造成偏移,从而产生与环境耦合的内部扭矩,就是我们平时看到的树叶“摇摇晃晃”飘落下来。
那如何让“树叶”机器人按照我们想要的方式运动呢?
树叶飘落的关键之处在于,这种运动高度依赖于树叶上的密度分布,并且在水下环境中效果会进一步放大。
于是,改变“树叶”的密度分布,就是机器人自主运动的关键!
研究人员将一层薄薄的软复合材料制成叶片,在叶片上附上了一个“浮力皮肤”驱动器,由充满液体的弹性体(称为“肌肉”)和柔软的电子电路组成,将电路加热到一定程度时,内部液体会产生连续的剧烈体积变化从而改变其密度,密度变了,则浮力也会发生改变。
电子电路上有不同的三个激活位点,通过控制热量施加的位置点,可以控制不同点位上的浮力,从而实现两种运动步态:
三个点位浮力均匀分布:
三个点位浮力不均匀分布:
这种密度分布控制技术无需使用螺旋桨或其他推力装置,也无需大幅改变物体的形状,就可以通过的任意结构移动到所需位置,不仅让薄薄的“树叶”动起来,连花盆也不在话下。
▍海洋环保小能手,清除塑料垃圾和油污
这片小小的“树叶”有什么作用呢?
研究人员称,它具有探索和维护海洋环境的具大潜力,可以从小到一毫米的大小到几米甚至更大的大面积广泛使用。
为了证明这种可能性,研究人员做了一个实验,结合折纸设计展示了大面积的水面除油污功能。
把机器人放在一个小水箱中,这里它不是以“树叶”的形式,而是利用了超疏水-超亲油吸附片制作了一个自展开折纸框架,下水后几秒钟就可展开。
随后机器人可对准油污区域,自动游到溢油区并去除污染物。
如果把亲油吸附片换成轻薄的多个胶粘片,机器人还可以清理水底的塑料垃圾:
▍下一步:不被急流冲走
“树叶”在静水中具有良好变现,但是它这么轻,如果水流很急的话怎么办?
研究人员表示,自然发生的湍流也是考虑实际运动的必要因素,但事实上,他们还未解决湍流对机器人游起来的负面影响,因此还要进一步研究对流动水中的运动控制。
但这并不影响“树叶”开启了水下软体机器人的新形式和新功能,由于“树叶”轻巧和较大的表面积特性,它而容易受到电流影响,能够以非常节能的方式长距离行驶。
【参考文献】
https://robotics.sciencemag.org/content/6/53/eabe0637
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