研（yán）究人员提出了新的在颗（kē）粒介质（zhì）中挖掘（jué）的动（dòng）力（lì）学（xué）理解，结合关键结果设计（jì）出一款带有尖端延伸喷气装置的管状机器（qì）人，控制地下的相互作用力来（lái）实现（xiàn）快速、可控的（de）三（sān）维（wéi）挖掘。

该论文题目为《软体机器人通过控制地下力量（liàng）实现快速可控挖洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日发表在《科学·机器人》上。

▍软体机器人地下挖掘面临阻力和升力

机器人非常适合在极端环境下使用，如太空（kōng）、海底或灾（zāi）难（nán）现场。现在的机器人已经可以上天下海，并且在陆地上进行各种自（zì）由活动。然而，机器人运动的一（yī）个前（qián）沿领域仍未被（bèi）探索，那就是地下。

论文（wén）的第一作者，来自加利福尼亚大学圣塔（tǎ）芭芭拉分校霍克斯实验室（Hawkes Lab）的研究生尼古拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说：“在地面上让机器（qì）人运动（dòng），最大挑战是其所涉及（jí）到（dào）的（de）各（gè）种力，空（kōng）气和（hé）水对于穿过它们（men）的（de）物体阻力（lì）很小。但是进入地下（xià）世界就是另一回事（shì）了。如果你试图钻进地下（xià），就必须将土壤、沙（shā）子或其他介质推开。”

在（zài）地下运动很困难，部分原因是土壤和颗粒介（jiè）质（zhì）产生的阻力不仅比空气或（huò）水产生（shēng）的（de）阻力大几个数量级（jí），还存在一（yī）种不同类型的升（shēng）力。现有挖掘（jué）方（fāng）法大（dà）都（dōu）依赖于大型机械装置，这些装置具（jù）有（yǒu）坚硬而（ér）巨大的部（bù）件，常用（yòng）装置如螺旋（xuán）钻机、液压旋转钻机、隧道钻机等，有效地克服了（le）这（zhè）些力。但是大（dà）型装置的挖掘（jué）方式并不适合小型（xíng）、微创（chuàng）机器人。

适合机器人的机械挖掘方式被逐渐提出，包括（kuò）螺杆（gǎn）钻机、往复式钻机、锤击机制等。例如，美国宇航局（jú）（NASA）2018年向（xiàng）火星发射“洞（dòng）察号”探测器时，装备了（le）一种（zhǒng）挖掘机器人（rén）“鼹（yǎn）鼠”，就采用了（le）自锤（chuí）击方式挖洞，但是受火星土壤性质影响，一（yī）直（zhí）未能成功。2021年1月，相关工程师在最后一（yī）次尝试后，放弃使用“鼹（yǎn）鼠”进（jìn）行火星地底挖（wā）掘。可以看出，机器人挖（wā）掘地下还面临（lín）很多挑战（zhàn）。

研究人员（yuán）从（cóng）在地下（xià）活动（dòng）的植物和动（dòng）物身上汲取（qǔ）灵感，开（kāi）发出了一（yī）种快速（sù）、可控的软体（tǐ）机（jī）器人，这款机器人目前成功实现在沙子中挖洞。此项技（jì）术不（bú）仅实现机器人在地下进行快速（sù）、精确、小（xiǎo）范围运（yùn）动，还（hái）奠定了这类新型机器人的机械基础。

▍自然界可替代挖洞思路

自（zì）然（rán）界在（zài）地下生长（zhǎng）延伸（shēn）成网（wǎng）络的（de）植物和真菌为研究人（rén）员提供了（le）许多地下（xià）运动的例（lì）子（zǐ），而动物则掌握了直接（jiē）穿过颗粒介（jiè）质的能（néng）力。佐治亚理工学院物理学教授丹尼尔（ěr）·戈德曼（Daniel Goldman）表示（shì），从机械物理角度理（lǐ）解植物和动物如何掌握地（dì）下运动能力，为科学和技术开（kāi）辟了许多可能性。

“研究不同生物体在颗粒介质中成功游动和挖掘原理得出的发现，可以用（yòng）来开发新型（xíng）机械和机器人（rén）。”戈（gē）德曼说：“反过来，开发具有这种能力的机（jī）器人可以促进新的动物研究，以及颗粒基质物理学（xué）中（zhōng）新现象的发现（xiàn）。”

霍克斯实验室研究人（rén）员设计的藤蔓状软（ruǎn）体机器人就是一个良（liáng）好（hǎo）的开端，该机器人（rén）模仿了植物其他（tā）部分保持（chí）静止（zhǐ）情况下，根部（bù）尖端生长运（yùn）动的方式。根据研究人员的说法，在地（dì）下环境中，尖（jiān）端生长保持较低的（de）阻力，但仅局（jú）限（xiàn）于生长（zhǎng）端；如果（guǒ）整个机器人身（shēn）体（tǐ）随（suí）着“长大（dà）”而移动，介质表面的摩擦力会随着机器（qì）人更多部分进入沙子而增加，直到机器人不再移动。

策略1：尖端延伸

穴居（jū）动物启发了另一种称为颗（kē）粒流化的策略（luè），该策略是将颗粒转化成类似悬（xuán）浮流体（tǐ）的状态，使动物能够克服沙子或松散土壤带来的高阻力。例如，章鱼会（huì）向地下喷（pēn）射一股水流，然后用它的触手将自己拉入暂时松动的沙（shā）子中。研究人员在机器人上安装（zhuāng）了一种基于（yú）尖端的流动装置，该装置将空气（qì）喷射到尖端之前的区域（yù），使（shǐ）机器（qì）人（rén）能够（gòu）进入该（gāi）区域。

纳克莱里奥说（shuō）：“我们的最大挑战（zhàn），也是花费时（shí）间最长的（de）问（wèn）题是，当机器人（rén）切换到在（zài）水平方向（xiàng）上挖洞时（shí），它总是（shì）会浮出来。”他解释道，尽管（guǎn）气体或液体可以（yǐ）均匀地在对称物体的上方和下（xià）方（fāng）产生流动，但（dàn）在流（liú）化沙中，力的（de）分布并不（bú）平衡，并且对（duì）水平运动的（de）机器（qì）人产生了显著（zhe）的上升力。“将沙子推开，比（bǐ）将（jiāng）其（qí）压实要容易得（dé）多。”

为了了解机器人的运（yùn）动情（qíng）况和探究空气辅助进入（rù）的大部分未知物理特性，该团队测量了机器人从水平方向推入沙（shā）子，其尖（jiān）端实（shí）心棒附近流入的不同角度气流导致的（de）阻力（lì）和升力。

“颗粒材料中产生的（de）摩擦力与牛顿（dùn）流体（tǐ）中产生的摩擦力有很（hěn）大不同，由于高摩擦力，机器人（rén）进入沙子，会（huì）在运动方向上挤压（yā）大片空（kōng）间。”罗切斯特大学的高盛实验室（Goldman’s lab）研（yán）究生安德拉斯·卡（kǎ）尔赛（Andras Karsai）说：“为了缓（huǎn）解这种情（qíng）况（kuàng），一种将颗粒（lì）物体（tǐ）提升和（hé）推开的低密（mì）度流体通常（cháng）会（huì）减少机器人必须（xū）克服的静摩擦力（lì）。”

与气（qì）体或液体（tǐ）不同（tóng），向下的流体喷射（shè）会为移动的物体产生升力，而在沙子中，向（xiàng）下（xià）的气流降低（dī）了升力，机器人实（shí）现（xiàn）在延伸（shēn）出的尖端下方挖（wā）洞（dòng）。结合从沙漠蜥蜴那获得的灵感，类似沙（shā）漠蜥蜴楔形的头部有利于机器（qì）人向下运动，使研究人员能（néng）够调（diào）节阻力（lì）并（bìng）保持机（jī）器人水平移动而不会从沙（shā）子中浮出。

▍气（qì）动尖端（duān）延伸助（zhù）力机（jī）器人快速挖洞

三种机器人挖掘策略效果（guǒ）都很（hěn）明（míng）显：

采用尖（jiān）端延伸设（shè）计可以减少机器人所受阻力。软体（tǐ）机器人和（hé）刚性材料机（jī）器人（rén）在相同类型的沙子表面向（xiàng）下挖洞（dòng）时，其前端阻力相同（tóng），但（dàn）软体（tǐ）机器（qì）人的（de）接触阻力较（jiào）少。相比与（yǔ）之前的InSight HP3探测器在沙子中0.14米每秒的速度，软体机器（qì）人在沙子（zǐ）中的极限速度是每秒480厘米，已（yǐ）经可（kě）以（yǐ）实现高速挖洞（dòng）。

局部（bù）颗粒流化减（jiǎn）少阻力。软体（tǐ）机器人从尖端喷射气流后，降低了穿过干燥沙子的阻力，并（bìng）且机器人受到的阻力与进入深度非线性比（bǐ）例增长，而喷（pēn）射气体流（liú）速增加会导致比例减少。

而不对（duì）称的向下气流可以控制机器（qì）人（rén）受到的升力（lì）。在（zài）大多数喷射（shè）气流角度（dù）下（xià），增加气流会（huì）降低沙子带（dài）来的升（shēng）力。但是比较出（chū）乎（hū）意料的是不论气流（liú）大小，在30度方向喷射气流角（jiǎo）度时，机器人受到的（de）升力最大（dà）。

新款软体机器人（rén）在长、浅、定（dìng）向挖（wā）洞方面有更好的（de）性能。像这样的（de）小（xiǎo）型（xíng）探索性软（ruǎn）体机器人具有多种应用，可以（yǐ）完（wán）成在干（gàn）燥（zào）的（de）颗粒（lì）介质中进行（háng）表层（céng）挖（wā）洞的任务，例如（rú）土壤采样、公用事业的（de）地下安装和防侵（qīn）蚀控制。机器人（rén）控制（zhì）尖端延伸方向并调节它在介质中锚定的牢固（gù）程度，这（zhè）种控（kòng）制（zhì）对于在（zài）低重力（lì）环（huán）境中的探（tàn）索非常（cháng）有用。事（shì）实上（shàng），该团队正（zhèng）在（zài）与NASA合（hé）作开展（zhǎn）一个项目，在（zài）月球甚（shèn）至更远的天体（如木（mù）星、卫星、土卫二）上开发挖洞技术。

霍克（kè）斯（Hawkes）说（shuō）：“我们相信挖洞有可（kě）能为外星应用机器人开辟新的途径。”

▍新材料（liào）和新控制技（jì）术让软体机器人有更多（duō）可能（néng）

软（ruǎn）体（tǐ）机器人目前的研（yán）究涉及新材料和新控制技术，例如最新这款挖洞（dòng）机器（qì）人就是参考自然界的植物、章鱼、沙漠蜥蜴等（děng）钻地挖洞的机制，设（shè）计新的控（kòng）制技术，韩（hán）国首尔国立大学的J.-Y.Sun团（tuán）队研究了水（shuǐ）凝（níng）胶这种新材料应（yīng）用于制（zhì）作软体机器人组（zǔ）件。

传统机器人大多是由限制（zhì）弹（dàn）性变形能（néng）力的刚（gāng）性材料制成。软体机（jī）器（qì）人（rén）这种（zhǒng）新型仿（fǎng）生连续体机器人，可（kě）以在一定限度内随意变（biàn）化形态，弥补传统机器人在适应多变环境上的不足，有望在生物工程、救灾救援（yuán）、工业生产、医（yī）疗服务、勘（kān）探勘测（cè）等领域（yù）发挥（huī）重要作用。