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研究人员提出了新的（de）在（zài）颗（kē）粒介质（zhì）中挖掘（jué）的动力学理（lǐ）解，结合关键结（jié）果设计（jì）出一款带有尖端延（yán）伸喷气装置的管状机器人，控（kòng）制（zhì）地下的相互作用力来实现快速、可控的三（sān）维（wéi）挖掘。
该（gāi）论文题目为《软体（tǐ）机（jī）器人通过控制（zhì）地下力量实现快速可控挖洞（dòng）（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日发表在（zài）《科学·机器人》上。
▍软体机器人地下挖掘面临阻力和（hé）升力
机器人非（fēi）常适合在（zài）极端环境下使用（yòng），如太空（kōng）、海底或灾难现场（chǎng）。现在的（de）机器（qì）人已经可以上天下（xià）海（hǎi），并且在陆地上进行各种自由活动（dòng）。然而，机器人运动的（de）一个前沿领域仍未被（bèi）探索，那就是地下。
论文的第一作者，来自加利福尼亚大学圣塔（tǎ）芭芭拉（lā）分（fèn）校霍克斯实验室（Hawkes Lab）的（de）研究生尼古拉斯（sī）·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说（shuō）：“在地面上（shàng）让（ràng）机器人运（yùn）动，最大挑战是其所涉（shè）及到的各种力，空气和水对于穿过它们的物体阻力很小（xiǎo）。但是进入地下世（shì）界（jiè）就（jiù）是另一回事（shì）了（le）。如果你（nǐ）试（shì）图（tú）钻进（jìn）地下，就必须将土壤、沙子（zǐ）或其他介质推开。”
在地下运（yùn）动很困难，部分（fèn）原因是土（tǔ）壤（rǎng）和颗粒介质（zhì）产生的（de）阻力不仅（jǐn）比空气或（huò）水产（chǎn）生的阻力大几个数（shù）量级，还（hái）存在（zài）一种不同类型的升（shēng）力。现有挖掘（jué）方法大都依赖于大型机械装（zhuāng）置，这些装置具有坚硬而巨大（dà）的部件，常（cháng）用（yòng）装（zhuāng）置如螺旋钻机、液压旋（xuán）转钻机、隧道钻机等（děng），有效地克服了这些力（lì）。但（dàn）是大（dà）型装置的挖掘方式并（bìng）不适（shì）合小型、微创机器人。
适合机器人的机械挖（wā）掘方式（shì）被逐渐提出，包（bāo）括螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等。例（lì）如，美国（guó）宇航局（NASA）2018年向火星（xīng）发射“洞察号”探测器时，装备（bèi）了一种挖掘机器（qì）人“鼹鼠”，就（jiù）采用了（le）自（zì）锤（chuí）击方式挖洞，但是受火星（xīng）土壤性（xìng）质影响，一直未能成（chéng）功。2021年1月（yuè），相关工程师在最后一次尝试后，放（fàng）弃（qì）使用（yòng）“鼹鼠”进行火星（xīng）地底（dǐ）挖（wā）掘。可以看出，机器人挖掘地（dì）下还面临很多挑战。
研究人员从在地下活动的（de）植物和动物（wù）身上汲取灵（líng）感，开发出了一种（zhǒng）快速、可控的软体（tǐ）机器人，这款机器（qì）人目前成功实现在沙子中挖（wā）洞。此项技术（shù）不仅实现机（jī）器人在地（dì）下进行快速、精确、小范围运动（dòng），还（hái）奠定了这类（lèi）新型（xíng）机（jī）器人的（de）机械基础。
▍自（zì）然界可替代（dài）挖洞思路
自然界在地下生长（zhǎng）延（yán）伸成网络的植（zhí）物和真（zhēn）菌为（wéi）研（yán）究人员提供了许多地下运动（dòng）的例子，而动物（wù）则（zé）掌握了直接穿过颗粒介质（zhì）的（de）能力（lì）。佐治亚理工学（xué）院物理（lǐ）学教授丹尼尔·戈德（dé）曼（Daniel Goldman）表示，从机械物理角度理解植物和动物如何掌握地下（xià）运动能（néng）力，为科学和技（jì）术开辟了许多可（kě）能性。
“研究（jiū）不（bú）同生物体在颗粒介质中成（chéng）功游动和挖掘原理得出的发（fā）现，可以（yǐ）用（yòng）来开（kāi）发新型机械和（hé）机器人。”戈德曼说：“反过（guò）来（lái），开（kāi）发具有这种能力（lì）的机器人可以促进新的动（dòng）物（wù）研究（jiū），以及颗粒基质物理（lǐ）学中新现（xiàn）象的发现。”
霍克斯实（shí）验室研究人员设（shè）计的藤蔓状软体机器人就（jiù）是一个良（liáng）好的开端，该机器人模仿（fǎng）了植物其（qí）他部分保持静止情况下，根部尖端生长运动的方式。根据研究人（rén）员的说法（fǎ），在（zài）地下环境中，尖端生（shēng）长保持较低（dī）的阻力，但仅局限于生长端；如果整个机器人（rén）身体（tǐ）随着“长大（dà）”而移动（dòng），介（jiè）质表面的（de）摩（mó）擦（cā）力会随（suí）着机器人更多部分进入沙子而增加，直到（dào）机器人不再移动（dòng）。
策略1：尖（jiān）端延伸
穴（xué）居动物启（qǐ）发了另（lìng）一种（zhǒng）称为颗粒流化（huà）的策略，该策略（luè）是将颗粒转化成类似悬浮流体的状态，使动物能够克服（fú）沙子（zǐ）或松散（sàn）土壤带来的（de）高阻（zǔ）力。例如，章鱼会向地（dì）下喷射（shè）一股水（shuǐ）流，然后用它的触（chù）手将自己拉入暂时松动（dòng）的沙子中。研究人员在机器人上安装（zhuāng）了一（yī）种基于尖端的流动装置，该装（zhuāng）置将空气喷射（shè）到尖端之（zhī）前的（de）区域（yù），使机器人能够进入（rù）该（gāi）区域（yù）。
策略2：空气流（liú）体
纳克莱里奥说：“我们的最大（dà）挑战，也是（shì）花费时间最长的问（wèn）题是（shì），当机器人切换到在水平（píng）方向上挖洞时，它总是会浮出来。”他解释道，尽（jìn）管气（qì）体或（huò）液（yè）体（tǐ）可以均匀地在对称物体的上（shàng）方和下方（fāng）产生流动，但在流化沙中（zhōng），力的（de）分布并（bìng）不平衡，并且对水（shuǐ）平（píng）运动的机器人产生（shēng）了显著的（de）上（shàng）升力。“将（jiāng）沙子推开，比将其压实要容易得多（duō）。”
为了了解（jiě）机器人的运动情况（kuàng）和探（tàn）究空气（qì）辅助进入的大部分未知物理特性（xìng），该团队测（cè）量了机器人从水平（píng）方（fāng）向推入沙子，其尖端实心棒（bàng）附近流入（rù）的不（bú）同（tóng）角（jiǎo）度气流导致（zhì）的阻力和升力。
“颗粒材料（liào）中产生的摩擦力（lì）与牛顿流体中产生的摩擦力有很大不（bú）同，由于高摩擦力（lì），机器人（rén）进入沙子，会在运（yùn）动方（fāng）向上（shàng）挤压大片空间。”罗切斯特大学的（de）高（gāo）盛实验（yàn）室（Goldman’s lab）研（yán）究（jiū）生安（ān）德拉斯·卡（kǎ）尔赛（sài）（Andras Karsai）说：“为了缓解这种（zhǒng）情况，一种将颗粒物体提升（shēng）和推（tuī）开的（de）低密度流体（tǐ）通常会（huì）减少机器人必须（xū）克服的静（jìng）摩擦力。”
与气（qì）体或液体不（bú）同，向（xiàng）下的流体喷射会为（wéi）移动的物体产生升力，而（ér）在沙子中，向下的气流降低了升（shēng）力，机器人（rén）实（shí）现（xiàn）在延伸出的（de）尖端下方（fāng）挖洞。结合从沙漠（mò）蜥蜴那获得的灵（líng）感（gǎn），类似沙漠蜥蜴楔形的（de）头部（bù）有利于机（jī）器人向下运动，使研究人员能够调节（jiē）阻力并保持机器人水平移动而不（bú）会从沙子中浮出（chū）。
策略3：不对称气流喷射设计
▍气动尖（jiān）端延伸（shēn）助力机器人快速（sù）挖（wā）洞
三种机器人挖掘策略效果都很明显：
采用尖端延伸设计可以减少机器人所受阻力。软体机器人和（hé）刚性材料机器（qì）人在相同类（lèi）型的（de）沙（shā）子表面向下挖洞（dòng）时，其前端（duān）阻力相同，但软体机器（qì）人的（de）接（jiē）触（chù）阻（zǔ）力较少。相比与之前（qián）的InSight HP3探测器在（zài）沙子中0.14米（mǐ）每秒的（de）速度，软体机（jī）器（qì）人在沙子中的极限速（sù）度（dù）是每秒480厘（lí）米，已经可（kě）以实现高速挖洞。
局部（bù）颗粒流（liú）化减（jiǎn）少阻力。软（ruǎn）体机器人从尖端喷（pēn）射气流后，降低（dī）了穿过干燥沙子的阻力，并（bìng）且机器人受到的阻力与进入深度非线性比（bǐ）例增长（zhǎng），而喷（pēn）射气体流（liú）速增加会导致比例减少。
而不对称（chēng）的向下气（qì）流（liú）可以控制机器人（rén）受到的（de）升力。在大多数喷射（shè）气流（liú）角度（dù）下，增加气（qì）流会降低沙（shā）子带来的升力。但（dàn）是比较出乎意料的是不论气（qì）流大小，在30度（dù）方向喷射气（qì）流角度（dù）时，机器人受（shòu）到的升力（lì）最（zuì）大。
新（xīn）款软体机器人在长、浅（qiǎn）、定向挖洞方面有（yǒu）更（gèng）好（hǎo）的性能（néng）。像这（zhè）样的（de）小型（xíng）探索性软体（tǐ）机器人具（jù）有多种应用，可以完成在干燥的（de）颗粒介质中进行表层挖洞的（de）任务，例如土壤采（cǎi）样（yàng）、公用事业的地下安装和（hé）防侵蚀控制。机器人控制尖端延伸方（fāng）向并调（diào）节它在介质中（zhōng）锚定的牢固程度（dù），这种控制对于在低重力环境中的探索非常有（yǒu）用。事实上，该团队正在与NASA合（hé）作开展一个项目，在月球甚至更远的天体（tǐ）（如木星、卫星、土卫二）上开（kāi）发挖洞技（jì）术。
霍克斯（Hawkes）说（shuō）：“我们相信挖洞有可（kě）能为外星应用机器人开辟新的途径。”
▍新材料和新控制技术（shù）让软体机器人有更多可能
软体机器人（rén）目前的研究涉及新材（cái）料和（hé）新控制技术，例如最新这（zhè）款挖洞机器人就是参（cān）考自然界的植物、章鱼、沙（shā）漠（mò）蜥蜴等钻地挖洞的（de）机制，设计新的（de）控制（zhì）技术，韩国首尔国（guó）立大学的J.-Y.Sun团队研究了水凝胶（jiāo）这种新材料（liào）应用于制作软体机器人（rén）组件（jiàn）。
传（chuán）统机器人大多是由（yóu）限制弹（dàn）性变形能力的刚性材料制成。软体机器人这种新型仿生（shēng）连续体机器人，可（kě）以在一定限度（dù）内随意变（biàn）化形态，弥补（bǔ）传（chuán）统机器人在适应多变环境上的不足，有望在生（shēng）物（wù）工（gōng）程、救灾救援、工业生产、医疗服（fú）务、勘（kān）探勘（kān）测等领域发挥重要作用（yòng）。
