耶魯開發“進擊的黏土”！穿兩層衣服就變身機器人：給自己捏形狀，還能越障

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除了施瓦辛格的那句經典臺詞，“I will be back”，看過第二部的小夥伴應該都記得這個經典的場景。

文摘菌含淚表示，童年也被液態金屬機器人T1000的恐懼支配過。

而近幾年，隨著機器人產業的發展，各個研究機構對於軟體機器人的研究愈發重視。正如Science Robotics主編楊廣中所說：機器人要突破馬達+齒輪的工業時代印象。

IEEE也從2018年開始舉辦國際軟體機器人大會Robosoft，今年是在韓國首爾舉行的第二屆。提交到大會的論文中，研究者們使用了各種各樣的材料來實現機器人的柔性可變，比如嵌入式離子凝膠、離子聚合物、金屬複合材料等，甚至是使用氣體作為填充物。

最近，根據IEEE報導，耶魯大學的研究人員用黏土作為填充物，利用一個變形層和一個運動層組成的表面，開發了一款可以根據環境改變自己形狀的軟體機器人。該專案在IEEE機器人與自動化國際會議（ICRA）展出。

黏土穿上兩層衣服，變身“進擊的黏土”

讓一塊黏土成為一個可以變形的機器人需要幾步？

耶魯大學的研究人員告訴你只需要三步：

1、先把一塊黏土搓成一個圓柱；

2、給黏土穿上第一層“衣服”；

3、給黏土穿上第二層“衣服”。

現在你就得到了一隻會變形、會越障的“進擊的黏土”！

為了實現運動和變形行為，研究人員製作了兩個機器人表層皮膚——對應不同的任務，稱之為變形層（Morphing Skin）和運動層（locomotion skin）。這兩層可以彼此疊合，或者甚至通過縫合或膠粘成為一體。

圖1：變形層（Morphing Skin）和運動層（locomotion skin）

變形層（Morphing Skin）：一張會捏橡皮泥的網

變形層直接包裹在黏土上，為了實現高可塑性，研究人員使用密集的特製繩索像織毛衣一樣縫在一塊氨綸基材上，然後通過纏繞馬達的伸縮拉扯實現對黏土形狀的改變。

具體來說，變形層是由多根平行縫在氨綸織物基材上的電纜組成(圖1，左)。首先，織物較短的邊緣，對應於電纜的終端，用矽橡膠加固(DragonSkin 10，Smooth-On)。然後將Paracord（一種直徑1.18mm的繩索)縫入織物(1520釐米)，縫合間距為0.75釐米，電纜與電纜間距為0.75釐米，總共20根電纜。1釐米長的布片沿著布片較短的邊緣固定在加強片上，這樣變形層就可以安全地包裹在黏土上。

圖2：（A）變形層。（B）伺服電機將多根電纜繞過Bowden電纜護套。（C）運動層。（D）8個氣動調節器控制氣囊的充氣和放氣。

實用的變形層設計對電纜的抗拉強度、可縫性和適當的電纜間距都有要求。儘管增加電纜密度有利於提高變形的解析度，但隨著電纜數量的增加，電纜與電纜之間的摩擦以及相關硬體的複雜性也會引起問題。但是間距過於稀疏又可能會導致區域性擠壓，無法將驅動轉化為黏土體的整體變形。因此，變形層的設計是由與所選黏土的材料特性的相容性是有關的。

變形過程是通過電纜的拉扯改變黏土的徑向收縮達到。每根電纜可以改變它所包圍的圓形截面的半徑，因此產生的形狀跨越所有徑向對稱的形狀，如圓柱體、啞鈴和圓錐體。通過對電纜進行縱向定位，可以得到形狀變化所需的彎曲運動或類似於蠕蟲的運動。

運動層（locomotion skin）：雙排氣囊組成的腿

機器人的運動策略有很多種，包括但不限於四足運動、滾動（通過控制重心的移動或材料的區域性擠壓來驅動）、和履帶式運動。這款機器人主要利用滾動進行運動。

為了實現移動，運動層是在矽膠薄膜中製作了一系列面向外部、平行的氣囊(圖1，右)。矽酮彈性體作為棒塗層上PET薄膜，形成一個20×15× 0.2cm的平面。固化後，氣囊被鐳射切割成PET薄膜，留下未切割的矽樹脂層。

被切割後的氣囊排列在運動層的表面，研究人員考慮了三種佈局設計：一排，兩排和多排氣囊。對於單排設計，氣囊的形狀以及無缺陷的製造更為關鍵，因為任何不對稱都會導致不均勻的膨脹，從而導致無意的轉動。採用雙排設計，不對稱性不是問題，因為每個執行器僅在皮膚的末端操作。而多排氣囊導氣管的安裝過於麻煩，所以研究人員最終選擇了雙排氣囊。

然後將運動層覆蓋在變形層上，按照一定順序向氣囊充氣使其膨脹，從而產生滾動運動（如下圖所示）。

忽略摩擦，角加速度與扭矩（相當於來自氣囊的切向力）和質量慣性矩成正比：α=T/J。因此，在低加速度下，可以用相對較小的力來完成一塊黏土的滾動。研究人員發現很小的壓力（≈3psi）足以快速有力地給氣囊充氣，從而實現運動。

未來應用廣泛，可以搭載感測器協助搜救

通常，機器人專家需要去想機器人要完成的功能，再去著手設計這款機器人，因為這些功能決定了機器人的形狀。但是為了完成更廣泛的任務，或者能夠在未知或高度變化的環境中工作，能夠改變自身形狀的機器人就可以提供很強的通用性。

這種變形功能和運動功能可以互補的機器人，未來的應用可以預期將會十分廣泛。

比如在搜救工作中，就可以使用黏土作為介質作為如感測器或訊號發射器這樣的有效載荷。由於擁有變形的能力，就可以用一個大直徑的圓柱體快速穿越平坦的地形，而當遇到障礙時，黏土機器人可以改變形狀，通過障礙。

或者更廣泛地說，應用方面還包括資源有限的情況。例如通過改變形狀，可以從一個球狀機器人變成一個機器手臂關節。利用這種變形系統，可以將黏土機器人變換成不同的形狀以執行不同的功能。

論文連結：

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