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研究人员提出了新的在颗粒介质中（zhōng）挖掘的（de）动（dòng）力学（xué）理解（jiě），结合关键结（jié）果设计（jì）出一款带有尖端延伸喷气装置的管状机器（qì）人，控制（zhì）地下的（de）相互作用力来实现快速、可控的三维挖掘。
该论文题目为《软体机器（qì）人通过控制（zhì）地（dì）下力量实现快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日（rì）发表在《科学·机器人》上。
▍软体机器人地下挖掘面临阻力和升力
机（jī）器（qì）人非常适（shì）合在极端环（huán）境下使用，如太空（kōng）、海底（dǐ）或灾难现场。现在的机器人已经可（kě）以（yǐ）上天下海（hǎi），并且（qiě）在陆地上进行各种自由活动。然而，机器人运动的一个（gè）前（qián）沿（yán）领域（yù）仍未被探索，那就是（shì）地下。
论文的第一（yī）作者，来自加利福（fú）尼（ní）亚大学圣（shèng）塔芭芭拉分校霍克斯（sī）实（shí）验室（Hawkes Lab）的研究生尼古拉斯·纳克莱（lái）里奥（ào）（Nicholas Naclerio）说：“在地面（miàn）上让机器人运（yùn）动，最大挑战是其所涉及到的各种力（lì），空气和水对（duì）于穿过它们的物体阻力很小（xiǎo）。但（dàn）是进入（rù）地下世界就是另一回事了。如果你试图钻进地下，就必须将（jiāng）土壤、沙子或其他介质推开。”
在地下运动很困难，部分原因（yīn）是（shì）土壤和颗（kē）粒介质产（chǎn）生的阻力不（bú）仅比空气或（huò）水产生的阻力大几个数量级（jí），还存在一种不同类型的升力。现（xiàn）有（yǒu）挖掘方法大都依赖于（yú）大型机械（xiè）装置，这些装置具有坚硬而巨大的部件，常用装（zhuāng）置（zhì）如螺旋钻机、液压旋转钻（zuàn）机、隧（suì）道钻（zuàn）机等，有（yǒu）效地克（kè）服了这些力。但（dàn）是大（dà）型装（zhuāng）置的挖掘方式并不适合小型、微（wēi）创（chuàng）机器人（rén）。
适合机器人的机械挖（wā）掘方（fāng）式（shì）被逐渐提出（chū），包括螺（luó）杆钻机、往复式钻（zuàn）机、锤击（jī）机制等。例如，美国宇航局（NASA）2018年向火星发（fā）射“洞察号”探测器时（shí），装备了一种挖掘机器人“鼹鼠（shǔ）”，就采用了自锤击方式挖洞，但是受火星土壤（rǎng）性（xìng）质影响，一直未（wèi）能成功（gōng）。2021年1月（yuè），相关工程师在最后（hòu）一次尝试后，放弃使（shǐ）用“鼹鼠”进行火星（xīng）地（dì）底挖掘。可以看出，机器人挖掘地下还面临很多挑战。
研究人（rén）员从在地下活动的（de）植物（wù）和动物身（shēn）上（shàng）汲取灵感，开发出了（le）一种快速、可控的软体机器（qì）人，这款机器人目（mù）前成功实现在沙子中挖洞。此项技术不仅（jǐn）实现机器人在地下进行（háng）快速、精确（què）、小范围运动，还奠定了这（zhè）类新型机器人的机械基础。
▍自然（rán）界可替代挖洞思路
自然界在地（dì）下生长延伸成网络的植物和真菌（jun1）为（wéi）研究人员提（tí）供了许多地下运动（dòng）的例子，而动（dòng）物则掌（zhǎng）握了直接穿过（guò）颗粒介质的（de）能力。佐（zuǒ）治亚理工学院物理学教授丹（dān）尼尔·戈德（dé）曼（Daniel Goldman）表示，从机械（xiè）物理角度理解植物和动物如何掌握地下运动能（néng）力，为科学和技术开（kāi）辟了许多可（kě）能性。
“研究不同生物体在颗粒介质中成功游动（dòng）和挖掘原理（lǐ）得出的发现，可以用来（lái）开发新型机（jī）械和（hé）机器人。”戈德（dé）曼说：“反过来，开（kāi）发具（jù）有这种能力（lì）的机器人可以促进新的动物（wù）研究，以及颗（kē）粒基质物理学中新现象的发现。”
霍克斯（sī）实验室研究人员设（shè）计的藤蔓状软体机器人就是一个良好的开端（duān），该（gāi）机器人模仿了植物（wù）其（qí）他部分保持静（jìng）止情况下，根部尖端生长运动的方式。根据研究人员的说法，在（zài）地下环境中，尖端生长（zhǎng）保持较低的阻力，但（dàn）仅局（jú）限（xiàn）于生（shēng）长端；如果（guǒ）整个机器人身体随着（zhe）“长大”而移（yí）动（dòng），介质表（biǎo）面的摩擦力会随（suí）着机器人更多部分进入沙子而增加（jiā），直到机器人不（bú）再移动。
策略1：尖（jiān）端延（yán）伸
穴居动物启发了另一种称为（wéi）颗粒流化的策略，该策（cè）略是（shì）将颗（kē）粒转化成类似（sì）悬浮流体（tǐ）的状（zhuàng）态，使动物能够（gòu）克服（fú）沙子（zǐ）或松散土（tǔ）壤带来的高阻力。例（lì）如，章（zhāng）鱼（yú）会向（xiàng）地下喷射（shè）一（yī）股水（shuǐ）流，然后用它的触（chù）手将自（zì）己（jǐ）拉入暂时松动的沙子中。研究人（rén）员在机器人上安装了（le）一种基于（yú）尖（jiān）端的流动装置，该（gāi）装置将空气喷射到尖端之前的区域，使机（jī）器人（rén）能够进入该区（qū）域。
策略2：空气流体（tǐ）
纳克莱（lái）里奥说：“我（wǒ）们的最大挑战，也是花费时（shí）间最长的问题是，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（tā）解释道，尽管气（qì）体或液体（tǐ）可以（yǐ）均匀地在对称物体的上方和下方产生流动，但（dàn）在流化沙中，力（lì）的分布并不平衡，并且对水平运动的机器人产生（shēng）了显（xiǎn）著的上升力。“将沙子推开，比将其压实要容易得多。”
为了了解机（jī）器（qì）人的运动情况和探（tàn）究空气辅（fǔ）助进入的（de）大部分未知物（wù）理特性，该团队测量了（le）机（jī）器人从水平方向推入沙（shā）子，其尖端实（shí）心棒附近流入的（de）不同角（jiǎo）度气流导（dǎo）致的阻力和升力。
“颗粒材料（liào）中产生的摩擦力与牛顿（dùn）流体中产生的摩擦力有（yǒu）很大不同（tóng），由于高（gāo）摩擦力，机器人进入沙子，会在运动方向上挤压大片空间。”罗切斯特大学的高（gāo）盛（shèng）实验室（shì）（Goldman’s lab）研究生安（ān）德拉斯·卡尔赛（Andras Karsai）说：“为了缓解这种情（qíng）况，一种将颗粒物体提（tí）升和推开的低密度流体通常会（huì）减少（shǎo）机器人必（bì）须克服的静摩擦（cā）力。”
与气体或液体不同，向下（xià）的流（liú）体喷射会为移动的物体产生升力（lì），而在沙子中，向下的（de）气流降低了升（shēng）力，机器人（rén）实现在延伸出的尖端下方挖洞。结合从沙漠（mò）蜥蜴（yì）那获得的灵感，类似沙（shā）漠（mò）蜥（xī）蜴（yì）楔（xiē）形（xíng）的头部有利于机器人向下运动（dòng），使研（yán）究（jiū）人员能够调节阻力并保持（chí）机器人水平移动而不会从沙子中浮出。
策略3：不对称气流喷射设计
▍气动尖端延伸助（zhù）力机器（qì）人快速挖（wā）洞（dòng）
三种机（jī）器人挖掘策（cè）略效（xiào）果都很明显：
采（cǎi）用尖端延伸设计可以减少（shǎo）机器人（rén）所受阻（zǔ）力。软体机器人和刚性材料机器人在相同（tóng）类（lèi）型的沙子表面向下（xià）挖洞时，其前端阻力相同，但软（ruǎn）体机器人（rén）的接触阻力较（jiào）少。相比与之前的InSight HP3探测器在沙子（zǐ）中0.14米（mǐ）每秒的（de）速度，软体机器人（rén）在沙子中的（de）极限速度是每秒480厘米，已（yǐ）经（jīng）可以实现高速挖洞。
局部颗粒流化减少（shǎo）阻力。软体机器（qì）人（rén）从尖端喷射气流后，降低（dī）了穿过干燥沙（shā）子（zǐ）的阻力，并且机器人受到（dào）的（de）阻力（lì）与进入深度非线性（xìng）比（bǐ）例增长，而喷射气体（tǐ）流速增加会（huì）导致比例减少。
而不对称（chēng）的向（xiàng）下气（qì）流可以控制机器人受到的升力（lì）。在大（dà）多数（shù）喷（pēn）射气流（liú）角度下，增加气流会降低沙（shā）子带来（lái）的升力。但是比较（jiào）出乎（hū）意料的是不论气流大（dà）小，在30度方向喷（pēn）射气流角度时，机器人受到（dào）的升力最大。
新款软体机器（qì）人（rén）在长、浅、定（dìng）向挖洞方面有更好的性能。像这样的小型探索（suǒ）性软体机（jī）器人（rén）具有多种应用，可以完成在干燥的颗粒介质中进行表层（céng）挖洞的任务，例如土壤采样、公用事业的地下安装和防侵（qīn）蚀（shí）控制。机（jī）器人控制尖端延伸（shēn）方向并调节它在（zài）介质中锚（máo）定的牢固程度，这种控（kòng）制（zhì）对于在（zài）低重力环境中（zhōng）的探索非常有（yǒu）用。事实上，该团（tuán）队正在与NASA合作开展一（yī）个项目，在月（yuè）球（qiú）甚至更远的天体（如（rú）木星（xīng）、卫星、土（tǔ）卫二）上（shàng）开发挖洞技术。
霍（huò）克（kè）斯（Hawkes）说：“我们相信挖洞有可能（néng）为外星应（yīng）用机器人开辟（pì）新（xīn）的（de）途径。”
▍新材（cái）料（liào）和新控制技（jì）术让软体机（jī）器（qì）人有（yǒu）更多可能
软体（tǐ）机器人目（mù）前的研究涉及新材料和新控制技术，例如（rú）最新这款挖洞机器人就是参考自然界的（de）植物、章鱼、沙漠蜥（xī）蜴等钻地挖洞的机制，设计新的控制技（jì）术，韩国首尔（ěr）国立大学的J.-Y.Sun团（tuán）队研究了水（shuǐ）凝胶这种新材料应用于制作软体机器人组件。
传统机器（qì）人大多是由限制弹性变形（xíng）能力的刚性（xìng）材料制成。软体机器人这种新型仿生（shēng）连续（xù）体机器人（rén），可以在一定限度内随意变（biàn）化形（xíng）态（tài），弥补传（chuán）统机（jī）器人在适应（yīng）多变环（huán）境（jìng）上的不足，有望在生（shēng）物（wù）工程（chéng）、救（jiù）灾救（jiù）援、工业生（shēng）产、医疗服务（wù）、勘探勘（kān）测等领域发（fā）挥重要作用（yòng）。
