研究人员（yuán）提出了新的在（zài）颗粒介质中挖掘的动（dòng）力学（xué）理解（jiě），结（jié）合关键结果设计出（chū）一（yī）款带（dài）有尖端延伸喷气（qì）装置的（de）管状机（jī）器（qì）人，控制地下的相互作（zuò）用（yòng）力来（lái）实现快（kuài）速、可控的（de）三（sān）维挖（wā）掘。

该论文题（tí）目为《软体机器人通过控制地下力（lì）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（xué）·机（jī）器人》上（shàng）。

▍软体（tǐ）机器人地下挖掘（jué）面临阻力和升力

机器人非常适合在（zài）极端环境下使用，如太空、海（hǎi）底或灾难现场（chǎng）。现在（zài）的机器人已经可（kě）以（yǐ）上天下海，并（bìng）且（qiě）在（zài）陆地上进行各种（zhǒng）自由活（huó）动。然而，机器人运动的一个前（qián）沿领（lǐng）域仍未被探索，那就是地下。

论文的第一（yī）作者，来自加利福尼亚（yà）大学圣塔芭芭拉分校霍克斯实验室（Hawkes Lab）的研究生尼（ní）古拉斯·纳克莱里奥（ào）（Nicholas Naclerio）说：“在地面上让机器人运动（dòng），最大挑战是其所涉（shè）及到的各种力，空（kōng）气和水（shuǐ）对于（yú）穿（chuān）过它们的物（wù）体（tǐ）阻力（lì）很小。但是进入地下世界就是另一回事（shì）了。如果你试图钻进（jìn）地下，就（jiù）必须将土壤、沙子或其他介质推开。”

在地（dì）下运（yùn）动很困难，部分原因是土壤（rǎng）和颗粒介质产生的阻力（lì）不仅（jǐn）比空气或水产生的阻力大几个数（shù）量级，还存（cún）在一种（zhǒng）不同类型的升（shēng）力。现（xiàn）有挖（wā）掘方法大都依赖于大型机械（xiè）装置，这些装（zhuāng）置具（jù）有坚硬而巨（jù）大（dà）的部件，常用装（zhuāng）置如（rú）螺旋钻（zuàn）机、液压旋转（zhuǎn）钻机、隧道钻机等，有效（xiào）地克服了（le）这（zhè）些力。但是大型装置（zhì）的挖（wā）掘方式并不适合（hé）小型、微创机器人。

适合机（jī）器人的机械挖掘方（fāng）式被逐渐提出，包括（kuò）螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等（děng）。例（lì）如，美国（guó）宇航局（NASA）2018年向火星发射“洞察号”探测器时，装备了一（yī）种挖掘机器人“鼹鼠”，就（jiù）采用了自（zì）锤击方式挖洞，但是受火星土壤性质影响，一直未能成功。2021年1月，相关工程（chéng）师在最（zuì）后一次尝试后，放弃（qì）使（shǐ）用“鼹鼠”进行（háng）火星地底挖掘。可以看出，机器人挖掘地下还面临很多挑战。

研究人员从在地（dì）下活动的植物和动物（wù）身上汲取灵感（gǎn），开（kāi）发出了一种快速（sù）、可控的软体机器人，这款机器人目（mù）前成功实（shí）现在沙子中（zhōng）挖洞（dòng）。此（cǐ）项技（jì）术不仅实（shí）现（xiàn）机器人在（zài）地下（xià）进（jìn）行快速、精确、小范围运（yùn）动，还奠定（dìng）了这类新型机（jī）器人的机（jī）械基础。

▍自然界可替代挖洞（dòng）思（sī）路（lù）

自然界在地下（xià）生长延伸成网络的（de）植物和真菌为研（yán）究人（rén）员提供了许多地下运动（dòng）的（de）例子，而动物则（zé）掌握了直接穿（chuān）过颗（kē）粒介质的能力。佐治亚理工学院物（wù）理学教授（shòu）丹尼尔·戈（gē）德曼（Daniel Goldman）表示（shì），从机械物（wù）理角度理解植物和（hé）动物（wù）如（rú）何（hé）掌握（wò）地下运动能力，为科学（xué）和（hé）技术开辟了许多可能性（xìng）。

“研究不同生物体在颗粒介质中成功（gōng）游动和挖掘原理得出的发现，可（kě）以（yǐ）用来开（kāi）发新型机（jī）械和（hé）机器人。”戈德（dé）曼说：“反过来，开发具有（yǒu）这种能力（lì）的机器（qì）人可以（yǐ）促进新的动物研究，以及颗粒基质物理学中新（xīn）现象的（de）发现。”

霍克斯实验室（shì）研究人（rén）员设计的藤蔓状软体机器人就是（shì）一个良（liáng）好的开端，该（gāi）机器人模仿（fǎng）了植物（wù）其他部分保持静止情况（kuàng）下，根部尖端（duān）生长运动的方式（shì）。根（gēn）据研究人员的说法，在地（dì）下环（huán）境中（zhōng），尖（jiān）端生长保持较低的阻力，但仅局限于生（shēng）长（zhǎng）端；如果整个机器（qì）人身体随着（zhe）“长大（dà）”而移动，介（jiè）质表面的（de）摩擦（cā）力（lì）会随着机器人更多部（bù）分进（jìn）入沙子而增（zēng）加，直到机器（qì）人不再（zài）移动。

策略1：尖端延伸

穴居动物启（qǐ）发了另一（yī）种称为颗粒流化的策略，该策略是将颗粒转化（huà）成类似悬（xuán）浮流体（tǐ）的状（zhuàng）态，使（shǐ）动物（wù）能够（gòu）克（kè）服沙子（zǐ）或（huò）松散土壤带来的高阻力（lì）。例如，章（zhāng）鱼会（huì）向地下喷（pēn）射一股（gǔ）水流，然后用它的触手将自己拉（lā）入暂（zàn）时松动的（de）沙子中。研究人员（yuán）在机器人（rén）上安（ān）装了一（yī）种基于尖（jiān）端的流动装置，该装置将（jiāng）空气喷射到尖端（duān）之前的区（qū）域，使机器（qì）人能够进入该区域。

纳（nà）克莱（lái）里奥说（shuō）：“我们的最大挑战，也是花费时间最长的（de）问题（tí）是，当机器人（rén）切换到在水平方向（xiàng）上（shàng）挖洞时，它总是会浮出来。”他解释（shì）道，尽管气体或（huò）液（yè）体可以均匀地在对（duì）称物体的上方（fāng）和下方产生流（liú）动，但（dàn）在流化（huà）沙中，力的分布并不平衡，并（bìng）且对水平运动的机（jī）器人产（chǎn）生了显著的上升力。“将沙（shā）子推开，比将其压实要容易得（dé）多。”

为了了解（jiě）机（jī）器人的运动情（qíng）况和（hé）探究空气辅助进入的大部（bù）分未知物理特性（xìng），该团队测量了机器人从水平方向推入沙子，其尖端（duān）实心棒附近（jìn）流（liú）入的不同角度气流导致（zhì）的阻力和升力。

“颗（kē）粒材料（liào）中产（chǎn）生的摩擦（cā）力与牛顿流体中（zhōng）产（chǎn）生的摩擦（cā）力有很大（dà）不（bú）同，由于高摩擦力，机（jī）器人进入沙子，会在运（yùn）动方向上挤压大片空间（jiān）。”罗切斯特大学的高（gāo）盛实验室（Goldman’s lab）研究生安德（dé）拉斯·卡尔赛（Andras Karsai）说：“为了缓解这种情况，一种将颗粒物体（tǐ）提（tí）升和推开的低密度（dù）流体通常会减少（shǎo）机器人必须克服（fú）的静摩（mó）擦力。”

与（yǔ）气（qì）体（tǐ）或液（yè）体不同（tóng），向下的流体喷射会为移动的物体产生升（shēng）力，而（ér）在沙子中，向（xiàng）下的气流降低了升力，机器人实现（xiàn）在延（yán）伸（shēn）出的尖端下方挖（wā）洞。结合从沙漠蜥蜴那获（huò）得的灵感，类似沙漠蜥蜴（yì）楔形的头部有（yǒu）利于机（jī）器（qì）人向下运动，使研究（jiū）人员能够调节阻力（lì）并保（bǎo）持机器人水平移动而（ér）不会从（cóng）沙子中浮出。

▍气动尖端延伸助力机器人快速挖（wā）洞

三种机器人挖掘策略效果都很明显：

采用尖端延伸设计可以减（jiǎn）少机（jī）器人所受阻力。软（ruǎn）体机（jī）器人和刚性材料机器人在相同类型的沙子表面向下挖洞时，其（qí）前端阻力相同，但软体机器（qì）人的接触阻力（lì）较少。相比（bǐ）与（yǔ）之（zhī）前（qián）的InSight HP3探测器在（zài）沙子中0.14米（mǐ）每秒的速度（dù），软体机器人在沙子中（zhōng）的极（jí）限（xiàn）速度是每秒480厘米，已（yǐ）经可以实现高（gāo）速挖（wā）洞。

局部颗粒流化减（jiǎn）少阻力。软（ruǎn）体机器人从尖端喷（pēn）射气流后，降低（dī）了穿过干燥沙子的阻力，并且机（jī）器人受到的阻力（lì）与进入（rù）深（shēn）度（dù）非线性比例增长，而喷射气（qì）体（tǐ）流速增加会导致（zhì）比例减少。

而不（bú）对称的向下气流可以控制机器人受到（dào）的升力。在大多数喷射气流角度下，增加气流会降（jiàng）低沙子带来的升力。但是（shì）比较出（chū）乎意（yì）料的是（shì）不论气流大小，在30度方向喷射气（qì）流角（jiǎo）度时，机器人受到的升力最（zuì）大。

新款软体机器人在长（zhǎng）、浅、定向（xiàng）挖洞（dòng）方面有（yǒu）更（gèng）好的性能。像这样（yàng）的小型探索性（xìng）软体机（jī）器人具有多（duō）种应用，可（kě）以完（wán）成在（zài）干（gàn）燥的颗粒（lì）介质中进行（háng）表（biǎo）层（céng）挖洞（dòng）的（de）任务，例如（rú）土壤采样、公用事业的地下安装（zhuāng）和（hé）防侵蚀控制（zhì）。机（jī）器人控制尖端延伸方向（xiàng）并调节它在介质中（zhōng）锚定的（de）牢固程（chéng）度，这种控制对于在低重力环境中的探索非常（cháng）有（yǒu）用。事实上（shàng），该团队正在（zài）与NASA合作开展一个（gè）项目，在（zài）月球甚（shèn）至更远的天体（如木星、卫星（xīng）、土（tǔ）卫二）上开发挖洞技术（shù）。

霍克斯（Hawkes）说：“我们相信挖（wā）洞有可能为（wéi）外（wài）星应（yīng）用机器人（rén）开辟（pì）新的（de）途径。”

▍新（xīn）材料（liào）和新控（kòng）制技术让（ràng）软体机器人有更多可能（néng）

软体机器人（rén）目（mù）前的研究涉及（jí）新材料和新控（kòng）制技术，例如最新这款挖洞机器人就是参考自然界（jiè）的（de）植（zhí）物（wù）、章（zhāng）鱼（yú）、沙漠蜥（xī）蜴等钻地挖洞的机制，设计新的控制（zhì）技术（shù），韩国首尔（ěr）国立大（dà）学的（de）J.-Y.Sun团（tuán）队研究了（le）水凝胶这种（zhǒng）新材料应用于（yú）制（zhì）作软体（tǐ）机器人组件。

传统机器人大（dà）多是由限制弹性变形能力（lì）的刚性（xìng）材料制成。软体机器人这种（zhǒng）新（xīn）型（xíng）仿（fǎng）生连续体（tǐ）机器人，可以在一定限度内随意变化形态（tài），弥补传统（tǒng）机（jī）器人在适应多变（biàn）环境上的不足，有（yǒu）望在生物（wù）工程、救（jiù）灾救援、工业生产、医疗服（fú）务、勘探勘测等领（lǐng）域发挥重要作用。