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0.08s可挖30cm深的沙子,“遁地”机器人有望在小行星取样或锚定

来源: 发布时间:2021-06-22 05:16

正在美国西北大学读书、2020 年曾在同一期刊宣布论文的袁航告知 DeepTech,这是一款可在颗粒介质环境中完结快速可控三维发掘的软体机器人,该作业奇妙学习了天然界中相关植物与动物、在地下颗粒介质环境移动时采纳的战略。

在当时发掘作业中,人们遍及运用螺旋钻机、液压旋转钻机、地道钻机等,但这并不适用于小型机器人。后来,螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等机器人发掘办法逐步被提出。

2018 年,美国宇航局发射 “洞悉” 号火星无人着陆勘探器时,一款名为 “鼹鼠” 的发掘机器人与之随行,其选用自锤击的挖洞办法,在实验室测验中该设备能在 12 小时内挖出 5 米深。

但因为火星土壤性质原因,登上火星 2 年之久,“鼹鼠” 也未能在火星成功挖洞。2021 年 1 月,因为屡次测验未果,NASA 终究决议抛弃 “挖火星”,由此可见难度之大。

该团队也在论文中表明,陆地、空中和水中机器人的开发进展十分顺畅,但地下机器人却遇到了许多困难。

最大的困难之一是,在根本数据缺乏以让人从物理视点得悉物体如安在地下运动的情况下,人们很难开宣布可操控地下杂乱运动的导航体系。

本次论文的榜首作者加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校霍克斯实验室的尼古拉斯?纳克莱里奥表明,地上机器人在穿过物体时,遭到空气和水的阻力很小,但在地下运动就有必要推开土壤、沙子或其他介质。

更困难的是,沙土颗粒发生的阻力远超空气或水发生的阻力,此外在地下还会遇到升力。这时,天然界的动植物启示了他们。

图 | 动植物带来的创意

植物给予他们的创意是:部分植物的顶级在地下成长时可延伸成网络,然后具有穿过沙土的才能,这也是植物根系在土壤中钻孔的办法。

比方,顶级延伸可让野生无花果树的根延伸到 120 米、以及让美国白杨树的根掩盖 0.433km2。

该团队表明,植物顶级在地下成长时,其成长端的阻力较低。假如机器人身体能一边长大一边移动,就能让更多身体部分进入沙土,沙土外表的摩擦力也会随之添加。

厘清这些原理后,研讨人员以地下植物和地下动物为创意,成功研宣布这款挖洞机器人,现在已完成在沙子中挖洞。

图 | 顶级延伸

章鱼在地下进行活动时,会先喷发一股水流以便松动沙子,接着用触手把身体拉入沙中。该办法的学名叫颗粒流化,指的是把颗粒转成悬浮流体状况,如此就能战胜沙土中的高阻力。

章鱼在海底快速移动时,还可呼出空气,而根据该原理研制的技能,可让机器人在沙子中快速移动的一起,还可向各个方向撒沙。

图 | 空气流体

该团队表明,他们遇到的最大应战是,当把机器人切换到水平方向开挖时,总是会浮出来 “度过一段困难的韶光”。

这是因为在对称物体的上下方,尽管气体和液体可进行均匀活动,但流化沙的力气散布并不平衡,因而会给水平运动的机器人带来明显的上升力。这导致机器人能推开沙子,但却难以压实沙子。

为探明原因,尼古拉斯等人让机器人从水平方向推入沙子,这时其顶级实心棒邻近会流入不同视点的气流,关于这些气流发生的升力和阻力,该团队做了丈量。

他们发现,比较牛顿流体中发生摩擦力,沙子等颗粒资料发生的摩擦力十分悬殊。当机器人在沙子中运动时,发生的高摩擦力更高,这时处于运动方向的机器人会揉捏大片空间。

那么,处理办法是什么?答案是沙漠蜥蜴。

图 | 沙漠蜥蜴

沙漠蜥蜴有着楔形的头部,这让它在沙里挖洞时能够调理升力。以此为学习,该团队把机器人头部规划成相似形状,就能对其阻力进行条件,然后确保机器人在沙子中保持水平移动,以防止从沙子中浮出。

图 | 不对称气流喷发规划

最近刚在《科学?机器人》宣布过论文的美国波士顿大学工程学院博士生杨溢表明,沙子在静态时具有固体性质,可是在有气流穿过其空地、或许轰动的情况下会展示流体性质。该团队经过在沙子中注入气流,使得机器人能够在沙子里容易穿行。

归纳来说,作为规划挖洞机器人的 “创意缪斯”,植物顶级、章鱼和沙漠蜥蜴这三样天然动植物功不可没。

曾在《天然》宣布过机器人相关封面论文的浙江大学航空航天学院穿插力学中心教授李铁风告知 DeepTech:“生物在应对和改造外部环境上常有‘奇招’,将之使用在在机器人体系中则有望完成优异功能。该机器人由几类生物发掘钻地的行为与结构特征启示,使用软体资料与结构完成沙地发掘,在驱动办法和结构规划上都表现了立异,对勘探与作业机器人的研讨和使用将起到推进效果。”

具体来说,以植物顶级为创意带来的顶级延伸规划,可下降机器人的阻力,终究让机器人能以每秒 480 厘米的速度,在沙中快速挖洞。

以章鱼为创意做出的部分颗粒流化规划,可让机器人凭借顶级喷发气流的过程,下降穿越枯燥沙子的阻力。

以沙漠蜥蜴为创意规划的机器人头部,可在不对称的向下气流中,操控机器人遇到的升力。比方在喷发气流视点下,当添加气流时沙子的升力会被下降。

正在康奈尔大学做博后研讨、2021 年头曾宣布过《科学?机器人》封面论文的刘清坤告知 DeepTech,该机器人的最大亮点在于可进行快速可控的掘地运动。

而在机器人“皮肤”的选材上,亦是可圈可点。

在资料上,因为该机器人接受的彼此效果力和内部压力,比曾经的变形机器人要高,因而对 “皮肤” 资料的机械功能有着更严厉的要求。

比方,“皮肤” 有必要圆周健壮,以便反抗内部压力的高环应力,为此该团队选用一种定制的双层复合密封织物。

为了添加顶级延伸体的气流,他们规划了一个根据顶级的活动设备。为了改动顶级的流向,该团队运用了一个双喷嘴体系,每个体系都有自己的供风线。只需改动两个喷嘴之间的流量,就可完成对流量方向的大致操控。

研讨中,该团队在沙子进步行了 480cm/s 的高速水平穴穴实验,以丈量机器人的反效果力和速度成果显现,机器人在 0.08s 内可挖 30cm 深度的沙子。在天然界中,剃刀蛤能够挖 1cm/s,沙鱼蜥蜴可挖 10cm/s,因而该机器人颇具优势。

在演示中,机器人成功地穿越了长约 8 厘米、深度为 60 厘米的沙子,继续向下流速为 140 升 / 分钟,速度为 2cm/s。

图 | 高速水平穴居的架空图画

在枯燥的颗粒介质中,该机器人已具有表层挖洞的才能。在地球上的潜在使用包含土壤取样、没有沟槽的微创灌溉、电线或地热回路装置、腐蚀操控、搜救和粮仓检查。

另据悉,它还能操控顶级延伸方向,也能调理在沙子中的的结实程度,故此可用于低重力环境中的使用探究。

或许 NASA 现已认识到了本身缺乏,其现在已和该团队到达协作,未来将在月球、以及木星、卫星、土卫二等天体上拓宽机器人的挖洞才能,实践使用包含火星上的热传感器放置、月球上的火山地道探究、小行星取样或锚定,以及土星卫星土卫二上的粒状冰探究。

刘清坤也表明,能够预见这种掘地机器人未来在地下查找和救援、以及在其他星球上土壤采样等范畴有重要使用 。

杨溢告知 DeepTech,这期的《科学?机器人》首要重视在极点环境下作业的机器人,封面的软体机器人算是一种仿生机器人。

他以为,尽管它的驱动办法依然是常见的气压驱动,可是它奇妙运用了气动力,不仅对本身结构进行延伸以到达移动意图,还依托气动来吹动周围介质来极大减小行进阻力。

谈及该论文登上封面的原因,杨溢剖析称,传统机器人研讨都是机械工程结合电子工程,多宣布在电子工程师协会旗下的会议和期刊。《科学?机器人》是一个比较新的期刊,也就只要几岁,上面的许多论文都是新式研讨。有时新式研讨间隔实践使用较远,可是具有潜在的广度或深度。

刘清坤也以为,该期刊偏重于机器人研讨的新观念和新原理..... 这些问题大多不能在已有常识和技能范畴中独自处理,而是需求多学科穿插、从天然中罗致创意等。回来,检查更多

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