首个3D打印单致动器波浪式机器人成功研制 

2016-07-29 15:59 发布

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近日,以色列班古里安大学David Zarrouk博士带领的研究团队开发出了世界上最快的蠕动机器人,而且驱动这个机器人前进和左右转向的只有一台电动机。
在最近发表在《Bioinspiration & Biomimetics》杂志上的一篇名为《单致动器波浪式机器人(SAW):设计、建模和实验(Single Actuator Wave-like Robot (SAW): Design, Modeling, and Experiments》的论文里,Zarrouk仔细描述了他的这一最新发明:单致动器波浪式机器人(SAW)。“这是一个全新的仿生机器人,可以通过制造一种连续的推进波来向前或者向后”。基本上,SAW的行动方式非常像蠕虫。
不过实际上,蠕虫的运动方式也是多种多样的,比如有的蠕虫是靠不断推进的正弦波移动的,这也是SAW的移动方式。而另一方面,比如蚯蚓则是依靠肌肉收缩和与地表的摩擦移动的。而SAW采用的波浪式移动方式在海洋动物或者尺寸非常小的动物(像用鞭毛游动的微生物)中更为常见。尽管这些运动都很简单,但是相当高效,正如Zarrouk告诉我们的:
“多年来我一直在开发具有简约而高效运动方式的机器人。在本科期间,我曾经试着通过复制波浪运动来模拟微型生物系统。我当时意识到你所需要的只是一台马达,但是要真正实现它却是一个很困难的挑战。在读博士的时候,我们开发了一个蠕虫机器人,发现这个设计非常适合在消化系统环境中的自我推进系统。只需一个带马达的简单装置就能使一个很小的对象在肠子里移动。
几年前,当我在教有关弹簧的课程时,突然意识到弹簧在一个方向上的投影是一个圆,而在另一个方向上的投影则是一个正弦波。有趣的是,当弹簧旋转的是,它的投影就变成了向前移动的波浪。我明白了,这就是我一直在寻找的最简单的设计。”
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SAW的设计相当简单,但这只是因为它相当巧妙。的设计是简单,但那只是因为它也是聪明。SAW的主要动力来自一个马达旋转一个刚性螺旋(机器人的"脊梁"),这个螺旋式被嵌在一系列类似于履带的3D打印塑料对象中的。当螺旋旋转时,履带就上下移动,并推动机器人前进。
不过,由于SAW的推进方式只在一个方向上起作用(向前和向后),因此就需要用到一些轮子来辅助操纵,不过这些轮子是被动的,只引导方向,不用于推进。据了解,Zarrouk制造的最大版本的机器人(就是本文动画图片中的那个)最高速度可以达到57厘米每秒,或每秒5.6个波长,而且,因为机器人的每片履带不会与地面产生很大的相对移动,这个机器人走起来也很平稳。
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乍一看来,这个机器人的移动速度只跟波浪的速度有关系,但是研究人员已经能够通过为片“履带”上添加类似脊椎的东西使得波浪的移动速度提升13%。据称,这些“脊椎”能够在每片履带接触地面的时候增加其有效的旋转速度,也就是说每六个波浪周期,机器人能够向前7个波长。
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研究人员们宣称,当前版本的SAW打造起来非常简单,而且轻盈、快速、高效、坚固耐用,而且很容易放大或者缩小。Zarrouk告诉我们,这个机器人“几乎不需要任何维护”,对于这么一个几乎完全是3D打印的动态机器人来说,这是很难得的。当然,它还有很多改进的余地,比如,它的转向系统就不是那么,呃,优雅,所以研究人员正在计划通过一个铰接式接头将两个SAW连接在一起。
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不过也许研究人员们未来最大的挑战是开发出一种方式来随时改变波浪的高点和振幅。这会让机器人来适应不同的地形或者更有效地通过直径的管道。Zarrouk告诉我们,他们也会在研究SAW式运动在光滑表面以及粘性液体(模拟细菌在 体液中游泳)条件下的应用。长期来看,他们能够把SAW机器人缩到足够小,这样就可以在人类的肠子里舒服的移动,到处拍摄和进行活体检验。
(编译自IEEE Spectrum  来自天工社-maker.com


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