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研究人员提出了新的在颗粒（lì）介质中挖掘（jué）的动力学理解，结合关键（jiàn）结果（guǒ）设计出一款带有尖端延伸喷气装（zhuāng）置的管状机器人，控（kòng）制地下的相互作用力来（lái）实（shí）现快（kuài）速、可控的三维挖掘。
该论文题目为（wéi）《软体机器（qì）人通（tōng）过控制地下力量实现（xiàn）快速（sù）可控挖洞（dòng）（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日发表在《科学·机器人》上（shàng）。
▍软体机（jī）器人地下挖掘面临（lín）阻力和升力
机（jī）器人（rén）非（fēi）常适合（hé）在（zài）极端环境下使用，如太（tài）空、海底或灾（zāi）难现场。现（xiàn）在的机器（qì）人已经可以（yǐ）上天下（xià）海，并且在陆地上进行各种自由活动（dòng）。然而，机器人运动的一个前沿领域仍未被探索，那就（jiù）是（shì）地下。
论（lùn）文的第一（yī）作（zuò）者，来自加利福（fú）尼亚大（dà）学（xué）圣（shèng）塔芭芭拉分校（xiào）霍克斯实验室（Hawkes Lab）的研究（jiū）生尼古拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说（shuō）：“在地面上让（ràng）机（jī）器人运动，最大（dà）挑战是其所涉及到的各种力，空气和水对于穿（chuān）过（guò）它们（men）的物体阻力很小。但是进入地下世（shì）界（jiè）就是另一回事了。如果（guǒ）你试图钻进（jìn）地（dì）下，就必须将土壤、沙（shā）子或其他介质推开。”
在地下运动很困难，部分原因是土壤和颗粒介质产（chǎn）生的阻力（lì）不仅比空（kōng）气或水产生的阻力大（dà）几个（gè）数（shù）量级，还存（cún）在一种（zhǒng）不同类型的升力。现（xiàn）有（yǒu）挖掘方法大都依赖于（yú）大型机械（xiè）装置，这些装置具有坚硬而巨大的部件，常用装置如（rú）螺旋钻机、液压旋转（zhuǎn）钻机（jī）、隧（suì）道钻机等，有效地克服了这些力。但是大型（xíng）装置的挖掘方（fāng）式并不适合小型、微创（chuàng）机（jī）器人。
适（shì）合机器人的机械（xiè）挖掘方式被逐（zhú）渐提出，包括螺杆钻（zuàn）机、往复（fù）式钻机、锤击机制等。例如，美国（guó）宇航（háng）局（NASA）2018年向（xiàng）火星发射“洞察号”探测器时，装备了一种挖掘机器人“鼹鼠”，就采用（yòng）了自锤击（jī）方式挖洞，但是受火星土壤性质影（yǐng）响，一直未能成功。2021年1月，相关工程师在（zài）最（zuì）后一次尝试后（hòu），放（fàng）弃使（shǐ）用“鼹鼠”进（jìn）行（háng）火星地底挖掘（jué）。可（kě）以（yǐ）看（kàn）出，机器人挖（wā）掘地下还面临很（hěn）多挑战。
研究人员从（cóng）在地下活动（dòng）的植物（wù）和（hé）动物身（shēn）上汲取灵（líng）感，开（kāi）发出了一种快（kuài）速、可控的（de）软体机器人，这（zhè）款（kuǎn）机器人目前成功实现在沙（shā）子中（zhōng）挖洞。此项技术不（bú）仅实现（xiàn）机（jī）器人在地下进行快（kuài）速、精确、小范（fàn）围运动（dòng），还奠定了这类新型机器人的机械基（jī）础。
▍自（zì）然界（jiè）可替代挖（wā）洞思路
自（zì）然界在（zài）地下（xià）生长延伸成网络的植（zhí）物和真菌为研（yán）究人员提供了许多地下运动的例子，而动物则掌握了直接穿（chuān）过颗粒（lì）介质的能力。佐治亚理工学院物理（lǐ）学（xué）教授丹尼尔·戈（gē）德（dé）曼（Daniel Goldman）表示，从机械（xiè）物理角（jiǎo）度理（lǐ）解植物（wù）和动物如何掌握地（dì）下运（yùn）动能力，为（wéi）科学和技（jì）术开辟（pì）了许多可能性。
“研究（jiū）不同生物体在颗（kē）粒介质中成功游动和（hé）挖（wā）掘原（yuán）理得出的发现，可以（yǐ）用来开发新型机械（xiè）和机器人。”戈德曼说：“反过来，开发具有这种（zhǒng）能力的机器人可以促进新（xīn）的动物研究，以及颗粒（lì）基质（zhì）物理学中（zhōng）新现象的发现。”
霍克斯实验（yàn）室研究人员（yuán）设计的藤（téng）蔓（màn）状软体机器（qì）人就是（shì）一个良好的（de）开端，该机器人（rén）模（mó）仿了植物其（qí）他（tā）部分保持（chí）静止情况（kuàng）下，根部尖端（duān）生（shēng）长运动（dòng）的方式。根据研究（jiū）人员的说法（fǎ），在地下环（huán）境中，尖端生长保持（chí）较低的阻力，但仅局（jú）限于生长端；如果整（zhěng）个机器（qì）人身体随着“长大”而移动，介质表面的摩（mó）擦力会随着（zhe）机器人更（gèng）多部分（fèn）进入沙子而（ér）增（zēng）加，直到机器人不再移（yí）动（dòng）。
策略（luè）1：尖端延伸（shēn）
穴居动物启（qǐ）发了另一（yī）种称为颗粒（lì）流化的策略，该策略是将颗粒转化成类似悬浮流体的状态，使动物能（néng）够（gòu）克（kè）服沙子或松散土壤带来的高阻力。例如，章鱼会向地（dì）下（xià）喷射（shè）一股水流，然后用它的触（chù）手将自己（jǐ）拉入暂时（shí）松动的沙子中。研究人员在机器人上安装了（le）一种基于尖端（duān）的流动装（zhuāng）置，该装置将空气喷射（shè）到（dào）尖端之前的区域，使机器（qì）人能够进入该区域。
策（cè）略2：空气流体（tǐ）
纳克（kè）莱里奥说：“我们的最大挑（tiāo）战，也是花（huā）费（fèi）时间最长（zhǎng）的问（wèn）题是，当（dāng）机器人切换到在水平方向上（shàng）挖洞时，它总（zǒng）是会浮出来（lái）。”他解释（shì）道，尽（jìn）管气体（tǐ）或液体可以均（jun1）匀地在对称物体的上方和下方产生流动（dòng），但（dàn）在流（liú）化（huà）沙中（zhōng），力的分布（bù）并不平衡（héng），并且对水平运动的机器人产生了显著的上升（shēng）力。“将沙子推（tuī）开（kāi），比将其压实要容易得多。”
为了了解机器人的运动情况和探究空气（qì）辅助（zhù）进（jìn）入的大部分未知（zhī）物（wù）理特性，该团队测量了机器人从（cóng）水平方（fāng）向推入沙子，其尖端实心棒（bàng）附近流入的不同角度气流导致的阻力（lì）和升力。
“颗粒材料中产生的（de）摩（mó）擦力与牛（niú）顿流体中（zhōng）产（chǎn）生的摩擦力有很（hěn）大不同，由于（yú）高摩（mó）擦力，机器人（rén）进入沙子，会在运动方向上挤压大片（piàn）空间（jiān）。”罗切斯特（tè）大学（xué）的高盛实验（yàn）室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡尔（ěr）赛（sài）（Andras Karsai）说：“为（wéi）了缓解这种（zhǒng）情况，一种（zhǒng）将颗粒物体提（tí）升和推开的低密度流体通常会减（jiǎn）少（shǎo）机器人必须克（kè）服的静摩擦力（lì）。”
与气体或（huò）液体不同，向下的流体（tǐ）喷射（shè）会为移动的物体产（chǎn）生升力，而在沙子中，向下的（de）气流降低了升力（lì），机（jī）器人（rén）实现在延伸出（chū）的尖（jiān）端下方挖洞（dòng）。结合从沙漠蜥蜴（yì）那获得的灵感，类似沙漠蜥蜴楔形的头部（bù）有利于机器（qì）人（rén）向下运动，使研究（jiū）人（rén）员能够（gòu）调节（jiē）阻力并保持机器人水平移动（dòng）而不会从沙子中浮出。
策（cè）略3：不对称气流（liú）喷射设（shè）计
▍气动尖端延伸助力机器（qì）人快速挖洞
三种机器（qì）人挖掘策略效果（guǒ）都很明显：
采用尖端延伸设计可以减（jiǎn）少机器人（rén）所受阻（zǔ）力。软（ruǎn）体机器（qì）人和刚（gāng）性材料机（jī）器人在相同类型的（de）沙子表面向下挖洞时，其前端阻力相同（tóng），但软（ruǎn）体机器人（rén）的接触阻力较少。相比与之前的（de）InSight HP3探（tàn）测器在沙子中0.14米每秒（miǎo）的速度，软体机器人在（zài）沙（shā）子（zǐ）中（zhōng）的极限速（sù）度是（shì）每秒480厘米，已经可以实现高速挖洞。
局部颗粒流化减少（shǎo）阻力。软（ruǎn）体机器人从尖端喷射气（qì）流后，降低了穿过（guò）干（gàn）燥沙子（zǐ）的阻力，并且机器（qì）人（rén）受到的阻力与进入（rù）深度非线性（xìng）比例增长，而（ér）喷射气体流速增加（jiā）会导致比例减少。
而不对称的向下气流可以控制机器人受（shòu）到的升（shēng）力。在大多（duō）数喷射（shè）气流角（jiǎo）度（dù）下，增加气流会降（jiàng）低沙子带来（lái）的升力。但是比较出乎（hū）意料的是不论（lùn）气（qì）流大小，在（zài）30度方（fāng）向喷（pēn）射气流角（jiǎo）度时，机器人受到的升力最大。
新款软体机器人在长、浅（qiǎn）、定向挖洞方面（miàn）有更（gèng）好的（de）性能。像这（zhè）样的小型探索性（xìng）软体机器（qì）人具有多（duō）种应用，可以（yǐ）完成在干燥（zào）的颗粒介质中进行表层挖洞（dòng）的任务，例如土壤（rǎng）采样、公用事业（yè）的地下安装和防（fáng）侵蚀控（kòng）制。机器人控制尖（jiān）端延（yán）伸方（fāng）向并调节它在介（jiè）质中锚定的牢固程度，这种控制对于（yú）在低重力（lì）环境中的探索非常有（yǒu）用（yòng）。事（shì）实上，该团（tuán）队（duì）正在与NASA合作开展（zhǎn）一个项目，在月球甚至（zhì）更远的天体（如木星、卫星、土卫二）上开发挖洞技术。
霍克斯（Hawkes）说：“我们（men）相信挖洞（dòng）有可能为外星（xīng）应用机器人开（kāi）辟新的途径。”
▍新材料和新控制技术让软体机器人有更（gèng）多可能
软体机器（qì）人目前的研（yán）究涉及新材料和新控制（zhì）技术，例如最新这款挖洞机器（qì）人就是参考自然（rán）界的植物、章鱼、沙漠蜥蜴等钻地挖洞的机（jī）制，设计新的（de）控制技术（shù），韩国（guó）首尔国立（lì）大（dà）学的J.-Y.Sun团队研究了水（shuǐ）凝（níng）胶（jiāo）这种新材料应用（yòng）于制（zhì）作软（ruǎn）体机器人组件。
传统机（jī）器人大多是由限制弹性变形能力（lì）的刚性材料制成（chéng）。软体机器人这种（zhǒng）新（xīn）型仿生连续体机器人（rén），可以在一定限度内随意变化形态，弥补传统（tǒng）机器（qì）人在适应多变环境上（shàng）的不足，有（yǒu）望（wàng）在生（shēng）物工程、救灾救援、工业生产、医疗服务、勘探勘测等领域发（fā）挥重要作用。
