近日，巴塞羅那科技大學的研究人員開發(fā)了一種基于骨骼肌的生物混合型軟體機器人。在爆發(fā)模式下，該機器人一秒鐘就能游出自己 3 倍身長的距離。

該研究團隊在發(fā)表于 Science 子刊 Science Robotics 上的論文中，描述了他們開發(fā)和測試軟機器人的過程。

鰻魚的外表和彈簧一樣的身體

為了不斷提高軟體機器人的性能，科學家們開始將目光投射到動物組織一類的“天然材料”。其中，骨骼肌和心臟肌肉的利用頗受歡迎。

不過，骨骼肌和心臟肌肉各有利弊。通常情況下，基于骨骼肌的軟體機器人靈活度較低、力度較弱。而此次西班牙研究人員通過特特殊設計克服了這兩個問題，讓他們的仿生軟體機器人具有更高的靈活性和可變形性，并對環(huán)境具有更高的適應性，從而使本次軟體機器人在水中能比同類機器人游得更快。

研究人員以鰻魚為原型，為機器人設計出一個蛇形彈簧骨架，并不斷優(yōu)化它的形狀以達到更為仿真的效果。優(yōu)化后，研究人員采用了一種叫做聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 的有機硅物料，通過 3D 打印將這一骨骼框架制作了出來。

據(jù)悉，該機器人身長約 260 微米，在受到電刺激時可進行移動，其中電荷會使肌肉收縮，從而壓縮內部的骨骼彈簧。

通過放電刺激，機器人的骨骼肌會收縮，從而可壓縮內部骨骼彈簧，在接觸電荷刺激后，彈簧中的能量被釋放，如此便可推動機器人前進。

這個過程就像人們手動壓縮彈簧再釋放一樣，只不過將動力源從人手換成了電流，這種設計使得機器人只能在一個方向上移動。

此外，據(jù)研究人員介紹，該仿生機器人具有兩種運動模式：滑行和爆發(fā)。

通過模擬在溪流中緩慢游行的小魚，機器人可以開啟滑行模式。而在爆發(fā)模式下，軟體機器人可迅速從靜止狀態(tài)切換到快速運動狀態(tài)，并能達到每秒 800 微米的速度，該速度比其他基于骨骼肌制作的仿生機器人要快得多。

研究員表示，目前只有基于心臟肌肌肉的仿生機器人才可比擬這種速度。他們認為這一設計可以為其他新型混合動力的機器人帶來更高強度的輸出，使得機器人在水中有更快速的移動能力，亦或在工作中有更強大的表現(xiàn)力。

從水母到鰻魚：機器人“無所不仿”

幾千年以來，生物系統(tǒng)在不斷發(fā)展著其復雜的自組織機制，以此來達到感知和自我修復的目的。近年來，機器人專家們開始從生物的行為中汲取靈感，不斷模仿它們的復雜行為。

材料的不斷發(fā)展，使得人們可通過仿造一些簡單的生物去制備機器人。這些模擬簡單生物的機器人能完成爬行、抓握等動作。但是，合成材料制成的仿生機器人仍無法完美復刻精巧絕倫的生物體構造，以及具有等級結構的肌肉組織為生物帶來的高強度的輸出能力。

此時，“天然材料”登場，科學家們同時開始混搭人造材料，發(fā)揮人造和天然的各自優(yōu)勢，開啟了混合材料的仿生機器人制造。

近年來，聚二甲基硅氧烷 （PDMS） 也被用于骨骼肌仿生機器人的結構制作中，尤其是在模仿一些水生動物時。這種材料無毒、不易燃、透明，具有結構高彈性 （structural flexibility） 和疏水性 （hydrophobic），是一種惰性物質。聚二甲基硅氧烷制作程序便捷，成本低廉，在隱形眼鏡、潤滑劑中都有應用。

早在 2013 年，美國科學家就研發(fā)出了一款名為 “Cyro” 的水母機器人。Cyro 是美國海軍水下作戰(zhàn)中心和海軍研究辦公室出資的一項計劃的研究成果。這項計劃共投入 500 萬美元，旨在開發(fā)機器人執(zhí)行水下監(jiān)視和海洋環(huán)境監(jiān)測任務。

“Cyro” 的名字來源于霞水母 “Cyanea capillata”，它由厚硅樹脂材料制成，摸起來會有黏糊糊的觸感，體積只有人類的一個手掌大，約 77 公斤重，由一塊可充電的鎳氫電池提供動力。它能獨立地在水中游動，并對敏感數(shù)據(jù)進行收集、存儲和分析。據(jù)當時媒體報道，“Cyro” 若被軍方用作水下間諜，其能力會讓 007 也自嘆不如。

Cyro 的“大腦”是位于其中部的一個控制盒，研究人員表示之后還會在它身上安裝攝影機和其他監(jiān)測設備。

此項研究的參與人之一、弗吉尼亞理工大學的機械工程系博士生亞歷克斯-維拉努瓦 （Alex Villanueva） 博士表示，工作人員可以事先對 Cyro 進行編程，這樣它就可以在水中按照預先設定的程序來執(zhí)行任務。

維拉努瓦博士說道：“水母的一個巨大優(yōu)勢就是欺騙性，它們是一種你不會感到威脅的動物。如果我看到一個機器鯊魚和一個機器水母，我一定更提防機器鯊魚，而不是機器水母?！?/p>

原文標題：仿生軟體機器人又出新花樣：鰻魚的外表和彈簧一樣的身體

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責任編輯：haq