“機械智慧”機器人能切換不同游動姿態

一款由美國北卡羅來納州立大學團隊研製的“機械智慧”軟體機器人問世。該機器人不裝微電腦、不依賴實時算法，只用兩根氣管控制充放氣，便可切換水母、魚、轉子三種游動模式，完成升降、懸停、轉向等動作。其控制邏輯完全由材料與結構本身承擔，等於把“大腦”長進了結構裏。相關成果發表於最新一期《科學進展》。

　　這項研究的核心並非倣生外形，而是一種名為“機械智慧”的設計理念：把傳統上由傳感器、芯片和算法完成的工作，交給機器人的材料和幾何結構去完成。也就是説，身體本身就是處理器。這樣做的好處是，機器人不需要背負複雜的電子設備，既能減輕重量、降低功耗，也能避免計算延遲，用最少的驅動實現盡可能多的功能。

　　機器人主體為一個中央八邊形框架，四條柔性三角形臂與框架相連，框架內裝有超軟硅膠扁平氣囊，形成雙通道氣動執行器。樣機長55毫米，重14.5克。團隊將每條臂設計成“單穩態”結構，類似彈簧門：充氣時臂快速下拍，越過臨界點後彈性能量釋放；放氣後結構自動彈回，臂的翻轉約26毫秒內完成。兩個氣動通道對稱佈置，以不同時序充放氣時，四條臂的運動會隨之改變。

　　具體來説，兩通道同時充放氣，四臂同步撲動，産生垂直脈衝，機器人在水母模式下完成上升、下降和懸停；只給一側充氣，對側臂大幅拍打、鄰側輔助擺動，機器人像魚一樣定向游動；兩通道以180度相位差交替充氣，相鄰臂輪流拍打，機器人原地螺旋上升，進入轉子模式。三種模式可連續切換，機器人能沿設定軌跡完成上升、懸停、轉向、下降等組合動作。

　　其中，水母模式最大上升速度達每秒1.64個體長，最低運輸成本為17.6；轉子模式峰值旋轉速度約每秒90度。團隊還演示了多種應用：機器人底部裝軟磁鐵可從水底吸取生銹螺釘，配小鉤子可單獨或協作打撈塑料垃圾，裝載直徑3.5毫米的微型攝像頭能進入透明管道拍攝水下影像。

　　目前這款機器人仍需要人工設定充放氣頻率和相位，自身沒有實時感知和決策能力。模式切換時，前一階段旋轉留下的角動量會影響定向游動，結構一旦成型，任務適應性也有限。

　　團隊下一步將把機械智慧與少量傳感器和控制算法結合，由結構承擔撲動、回彈和被動穩定，控制系統負責識別環境、修正誤差和自主選擇模式，並逐步驗證深水壓力、洋流擾動等真實海洋條件下的表現。

【總編輯圈點】

　　這款機器人讓人想起了孩子的玩具，靠着簡單的充氣和放氣，就能實現不同的游動姿態。乍一看，機器人好像還有些笨拙，需要人工充放氣；變換姿態時，游動得也不穩當；算不上靈活，姿態設定好後，只能執行簡單任務。不過，它讓人看到了新的可能。這項研究驗證了機械智慧思路，可以用力學響應替代部分電子計算。未來把結構自帶的力學控制搭配少量傳感與算法，就有望開發出更適應洋流、深水等複雜海洋環境的輕量化水下裝備。