自主交互的移动软体机器人：无需人工控制，适应复杂环境

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    通过柔软的身体，软机器人可以更安全地与人类及其周围环境互动。然而，目前大多数软机器人很难在没有人类或计算机控制的情况下主动与环境交互。如何实现软机器人的自主化，甚至赋予其智能以适应复杂、随机的工作环境，是一个亟待解决的问题。

    近日，北卡罗莱纳州立大学殷杰团队和宾夕法尼亚大学杨舒团队研发出一款移动软体机器人，能够自发响应周围环境变化并自主与之交互。该软体机器人的形状像一根透明的螺旋状意大利面条（图1）。它不需要任何人为干预或外部控制。它可以从环境中获取能量动力，驱动自身，自主穿越各种复杂地形，比如各种松散的沙地、碎石路、狭窄的空间，甚至迷宫般的障碍空间等不同地形，都可以独立逃脱。

    图1：意大利面条形和螺​​旋形液晶弹性软体机器人对比

    该软体机器人具有生活中独特且常见的螺旋结构，由热响应软材料液晶弹性体制成，从而充分发挥了独特结构和智能材料的性能优势。当将软体机器人放置在热表面上时，由于接触部分的局部收缩，软体机器人可以自发地向前滚动。除了在实验室中使用外，软体机器人还可以在真实的自然环境中吸收能量并向前滚动，例如在车顶或烤架上。

    如果软体机器人在向前滚动的过程中遇到障碍物，软体机器人会通过两种方式与障碍物进行交互：转弯（）和跳跃（）。当软体机器人的一侧遇到障碍物时，它会自发地绕过障碍物转动。当软体机器人的中间部分遇到障碍物时，经过一段时间的能量积累，它会利用突然的跳跃来完成重新定向和反向行走（图2）。

    图2 一端绕过障碍物（左）接触中间位置实现跳跃反转（右）

   

    当软体机器人被随机放置在迷宫般的复杂环境中时，它会通过这两种与障碍物交互的方式不断尝试越过或躲避障碍物，多次转弯或反转，最终完成自主逃脱（图3）。

    图 3. 自主逃离简单的迷宫式障碍空间

    值得注意的是，与现有的人工智能机器人不同，这种与环境的交互不涉及手动或集成传感器。这种利用结构和材料本身的自主智能被称为物理智能，以区别于基于计算的人工智能和生物智能。

    此外，跳跃现象也可以通过与软物体（例如另一个软机器人）接触来实现。例如，让两个自发滚动的软机器人向彼此移动。通过双方持续不断的柔软接触和互动，积累能量。刹那间，双方完成了同一个方向的突然跳跃。一侧改变方向，使两侧朝同一方向移动。继续前进（图4）。

    图4 两个自发滚动的软机器人相遇、接触，然后突然跳向同一方向移动。

   

    此外，由于其独特的像刀片一样的螺旋形外轮廓，这款软体机器人还可以利用这些“刀片”挖入松软的沙子，以提高其抓地力，从而在热沙子或石头上行走。无论上坡、下坡，还是翻越凹凸不平的沙丘，都不会打滑、下沉。即使它的身体部分埋在沙子里，也可以通过旋转“刀片”甩掉沙子来逃脱（图5）。

    图5 自发穿越各种形状的沙地地形，不滑倒、不深陷

    这种在复杂环境中工作的能力为未来软机器人在极端环境下的自主监控提供了思路。这篇文章近期以“for Soft Robot in”为题发表在《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。文章通讯作者为北卡州立大学机械航空系副教授尹杰。第一作者为北卡罗来纳州立大学博士后赵耀。共同作者包括北卡罗莱纳州立大学博士生迟银丁、洪耀业和李彦斌，以及宾夕法尼亚大学教授杨舒。

    文章信息：Y.Zhao，Y.Chi，Y.Hong，Y.Li，S.Yang，J.Yin，“用于软机器人”，PNAS，119，（2022），

    团队介绍：

    尹杰团队目前致力于剪纸机械超材料、软体机器人、多功能变形材料的研究。近期取得的成果包括主动剪纸（Adv. Mater., 2017; PNAS, 2019）、无损剪纸机械手（Nat..2022）、三维模块化剪纸（Adv. Funct. Mater., 2021；Mater. Today Phys.，2021），以及两栖攀爬软机器人（Soft Robot.， 2018）和高速运行软机器人（Sci. Adv.，2020）等。