「土行孙」机器人登上Science子刊封面，用气流在地下穿梭自如

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你能想到这个看上去略显呆萌的“异物”，其实是个能挖洞的软体机器人吗？

怎么让我想到了大白？

不仅是长相，连构造上都有点像。

这个挖洞机器人和大白一样也是充气的。

而且在能力「土上也像大白一样强悍，在没有任何挖掘工具的情况下都能灵活遁地。

比如，短短几秒钟就能钻到沙土里。

深入“地下”也是so easy，速度还非常快。

而且可以像土行孙一样潜在地下、穿梭自如。

这就是最近登上Science子刊《Science Robotics》封面的软体机器人，行孙由加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员共同开发。

它能以每秒4.8米的速度在干燥沙土中打洞，还可以在沙里360度灵活转向。

这也为研究机器人如何在地下工作打开了一个新思路。

目前，该团队已经与NASA达成合作，为月球、土卫二提供挖掘技术。

气流遁地术

所以，」机这个看上去“手无缚鸡之力”的软体机器人，是如何在地下工作的呢？

要知道，地下环境中的阻力可比空气、海洋中的大多了。

这也是机器人尚未能在地下空间大展拳脚的主要原因之一。

△不同介质中的阻力差别

为此，科学家们开始从地下生物身上找灵感。

首先被想到的就是植物的根茎。

它们能够器人在地下纵深蜿蜒，主要靠的就是根茎尖端。

所以这款软体机器人也有一个类似的机械尖端，可以用来开路；主体部分选用了较为光滑的软管，用气体来驱动机器人前进。

这样可以提升机器人行动的速度和灵活性。

不过研究人员很快发现，当机器人在沙土中越走越远时，它的身体也越来越长登上，产生的阻力就会随之增加，最终它会因为克服不了阻力而动弹不得。

这时，他们又想到了章鱼。

章鱼是软体动物，它想要潜入沙堆里时，会先喷出一股水流把沙子打散，然后用触手把自己拉到沙子里。

所以，研究人员在机器人的尖端上又加了一个空气喷流装置。

让它先把沙子打松散，以降Sc低机器人通过时的阻力。

当机器人前进的阻力问题解决后，研究人员发现它的前进效果还是不够好。

因为机器人总是在沙土里走着走着，就探出了头。

这其实是因为在沙堆中的受力情况非常复杂，除了水平方向上的阻力，还有垂直方向产生的升力。

因此，机器人很难始终保持在一种平衡的状态ie下。

那么如何让它在地下穿梭自如呢？

这一次，研究人员想到了沙漠中的爬行动物。

比如砂鱼蜥，就可以利用楔形的头部来调整在土里的升力。

为此，研究人员加装了一个垂直方向上的空气喷流，以对抗机器人在潜行过程中会产生的升力。

从效果看，虽然机器人这样走的非常狂野，但是它nc能够保持在地下潜行了。

阻力大幅减小

为了能准确了解软体机器人的运行情况，研究人员分别测试了软体机器人3种情况下的表现：

只有尖端装置 加装有1个气流装置 加装有2个气流装置

在仅使用机械尖端开路的情况下，软体机器人在水平方向上前进的阻力，并不会随着路线的增加而增长。

而e子不使用尖端开路的情况下，阻力和路线长度成正比。

在软体机器人安装1个气流装置后：

垂直方向上，不使用空气气流驱动时，所产生的阻力和到达的深度成正比。

而随着气流速度的不断增加，所产生的阻力会明显减小，但是到达一定的深度后阻力还是会大幅上升。

研究人员测试了在不同深度刊封的沙土中，软体机器人水平运动时的阻力和升力情况。

同时，他们也改变了气流装置的角度，其中0度表示与水平方向平行，90度则表示与水平方向垂直。

数据显示，在43mm和80mm的深度中，软体机器人前行时的阻力都随着气流速度的增大而降低（下图B和C）。

不过阻力大小和面，气流角度就不是简单的正负比关系了。

在升力方面，增加气体流速会降低升力。

在40mm深度中（图D），气流夹角在0-30度之间，升力会随着角度的增大而增大，在30度时达到最大值；

在30-60度之间，升力随着角度的增大，大幅降低；

60-90度之间，升力基本保持不用气变。

在80mm深度中（图E），也显示了类似的趋势，较低角度对减少升力的效果较差，随着角度升高，能达到的效果会相对更好。

在1个动力气流装置的基础上，加装1个垂直方向的气流装置后：

软体机器人的潜行效果和垂直方向上的气流流速呈正比。

在低速下，软体机器人潜行9.2s后流在就从沙土里钻了出来；

在高速下，运行24.6s后仍旧能很好埋在沙里。

未来将走向太空

像这样的小型软体挖掘机器人，能够应用的场景有很多，比如土壤采样、地下勘探等。

而且这种机器人还能把自己固定在介质中，这对太空低重力环境中的探索非常有意义。

目前，该研究团队已经与NASA地下开展了一个合作项目，为月球、土卫二开发提供挖掘技术。

通讯作者Elliot Hawkes表示：

我们相信这种挖洞方式有可能为机器人在太空应用开辟新的途径。