剛柔並濟的“生長機器人”，從植物生長特性中汲取靈感，形成新型機器附肢，有望在更為狹窄、複雜的環境中更好地執行任務。

這種新型“生長型機器人”可以程式性地向不同方向進行生長並延伸：透過“生長點”或變齒輪箱傳送，將鏈條間的各元件進行鎖定和推動，完成其伸展過程。

圖片來源：課題研究員，麻省理工新聞部（ MIT News）編輯

作者：

Jennifer Chu

翻譯：

王嘉媛

審校/編輯 李光昭

在今天的工廠和倉庫中，機器人呼嘯而過的身影隨處可見，將物品或工具從一個站點運送到另一個站點。在大多數情況下，機器人可以在開放式佈局中輕鬆地完成行進路線。但在狹窄的空間中面對一些任務時，則要困難得多 —— 例如從雜亂的貨架後獲取物品，或者將汽車引擎內的油蓋擰開。

目前，麻省理工學院（MIT）的工程師們已經開發出一種機器人，實現了柔韌和堅實的結合：它可以延伸出一個鏈狀的附肢，既能夠足夠靈活，根據需要進行彎曲和改變形狀；又能夠具有足夠的剛性，承受沉重的負載，或施加扭矩在狹窄的空間中完成組裝零件的任務。當一個任務完成後，機器人可以將附肢收回，並在下一個任務中，根據情況再次延伸出所需的長度和形狀 。

附肢的設計靈感來自於植物的生長方式。比如植物將營養物以液態的形式運輸到植物頂端。在那裡，它們被轉化為固態，一點一點地形成支撐莖。

同樣，機器人由“生長點”或齒輪箱組成，它將鬆散的鏈條收回，齒輪箱中的齒輪將鏈條各元件鎖在一起，作為一個剛性附肢，逐段地伸展出去。

研究人員在近日舉行的 IEEE 國際智慧機器人與系統大會（IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems，IROS）上，展示了這款以植物為靈感的“生長機器人”。他們設想可以在機器人的齒輪箱上安裝抓取器，攝像頭和其他感測器，使其能夠柔韌地穿過飛機的推進系統並擰緊鬆動的螺釘，或者在不影響周圍庫存擺放以及其他進行中的任務的情況下，取到貨架上的物品。

麻省理工學院機械工程學教授 Harry Asada 說道：“想象一下汽車換油的情景，當你打開發動機頂蓋後，所需的工具必須要足夠靈活，可以穿過左右兩邊的急轉彎到達機油濾清器，同時又要足夠堅硬，可以擰開機油濾清器蓋，將其卸下。”

負責這項工作的嚴同喜，曾是淺田實驗室的研究生，他說道：“現在，我們有了一個有潛力完成這些任務的機器人 —— 它可以生長、收縮，並根據周圍環境，再次生長為不同的形狀。”

該團隊還包括麻省理工學院的研究生 Emily Kamienski 和訪問學者 Seiichi Teshigawara，他們在會議上展示了研究結果。

臨門一腳

新機器人的設計是 Asada 在解決“最後一英尺問題”工作中的一個意外收穫。“最後一英尺問題”是一個工程術語，是指機器人任務或探索性任務的最後一步或最後一英尺。雖然機器人可能大部分時間都穿梭在開放空間中，但其任務的最後一步可能涉及到它在更緊湊、更復雜的空間中是否有更加靈活的行動力和完成任務的能力。

工程師們已經針對最後一英尺問題設計了各種概念和原型，包括由柔軟的氣球狀材料製成的機器人 —— 這種材料可以像藤蔓一樣“生長”，透過狹窄的縫隙。但是 Asada 表示，這種柔軟的可伸縮機器人不夠堅固，當機器人攀爬到目的地後，不足以支撐“末端執行器”或執行任務所必需的附加元件，例如抓取器，照相機和其他感測器。

福特基金會工程學教授 Asada 說：“我們的解決方案實際上並沒用柔軟的材料，而是巧妙地使用了剛性材料，讓它具有柔韌性。”

鏈

式連線

研究團隊明確了應用這一植物生長特點的元素後，便試圖在一個可擴充套件的機器人上模擬這個過程。

Asada 說：“機器人的實現過程與真實的植物完全不同，但它在某種抽象層面上展現了同樣的功能。”

研究人員設計了一個齒輪箱來代表機器人的“生長頂端”，類似於植物的頂芽，隨著越來越多的營養湧向該部位，頂端將不斷形成堅硬的莖。在齒輪箱中，它們安裝了一個由齒輪和馬達組成的系統，該系統用於拉動“液態物質”，也就是機器中由 3D 列印，相互連線的塑膠元件所組成的柔韌鏈條，類似腳踏車鏈條。

當鏈條注入齒輪箱中，它會轉動曲柄，曲柄透過第二套馬達系統，將鏈條上的一部分元件與其相鄰的元件鎖在一起，在傳送出齒輪箱的過程中形成了一段剛性的附肢。

研究人員可以對機器人進行程式設計，將特定的元件鎖定在一起，而其他元件則保持解鎖狀態，以形成特定的形狀，或朝某些特定方向“生長”。在實驗中，他們能夠對機器人進行程式設計，使其在“生長”或延伸過程中繞過障礙物。

嚴指出：“它可以鎖定不同位置的元件，以實現各種程度的彎曲，並具有廣泛的運動範圍。”

當鏈條被鎖定並且是剛性狀態時，它的強度足以支撐一磅重的物體。研究人員表示，如果將抓取器連線到機器人的生長頂端或齒輪箱上，那麼機器人將可以延伸至一定程度，靈活地穿過狹窄的空間，然後施加足夠的扭矩旋鬆一個螺栓或擰開一個蓋子。

Kamienski 認為，自動化汽車維修，是機器人可以協助完成的一個很好的例子：“引擎蓋下方的空間雖然相對開闊，但最後一步，必須要繞過引擎部分才能到達機油濾清器，這是固定機器手臂無法到達的角度，而類似這樣的任務，‘生長型機器人’可以助人一臂之力。”