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哈佛大學Wyss研究所 這個神奇組織正在將機器人研究到極致

伴隨最新一期《Science》和《Science Robotics》出爐,我們發現一個神奇的現象。《Science》封面的柔性外骨骼其科研單位之一來自哈佛大學Wyss研究所。《Science Robotics》六篇文章中有兩篇的合作單位同樣來自哈佛大學Wyss研究所,這不禁讓我們對這家神奇的科研所產生了濃厚的興趣。

WYSS(Wyss Institute forBiologically Inspired Engineering)韋斯生物啟發工程研究所。這是一個跨學科的研究機構,在哈佛大學側重於開發新的仿生材料和設備在醫療、製造、機器人技術、能源和可持續建築應用。該研究所有兩個站點:一個位於波士頓Longwood醫療區波士頓生命科學中心,另一個位於哈佛大學馬薩諸塞州劍橋市的主校區。

Wyss Institute的科學運營圍繞六個支持技術平台組織(分別為自適應材料技術、預防醫療和細胞設備、仿生機器、合成生物學、仿生微系統、可編程納米材料),這些平台專註於開發新的核心技術和能力,這將促進生物啟發工程領域的主要研發領域的爆炸式增長。

這裡我們更關注Wyss的仿生機器領域,因為多年來他們以仿生(或者超越仿生)為前提研發出來的機器人足以讓人眼花繚亂,會讓小編自己想到電影超能陸戰隊裡面男主角小宏哥哥的實驗室,似乎在這裡你能看到未來機器人的樣子。

如果我們一一盤點你就會驚奇的發現,原來這些神奇的機器人都是來自這裡(排名與精彩程度不分先後):

微型集群機器人kilobot

似乎還沒有哪家機構能同時控制成百上千的微型機器人,使其完成指定的動作。但這項研究Wyss早在2014年就頗有成就了。這便是他們的微型集群機器人kilobot。

Kilobot結構非常簡單,一個直徑幾厘米的身體,一個紅外發射和接收儀,一個小小的震動發動機和三條腿。它們就像自然界中的工蟻那樣,雖然不能監視到全局,卻能通過臨近機器人給過來的信號,確定自己該去的位置。因而他們可以自主的組合成各種形狀,僅僅依靠機器人沿群體的外沿不停的運動。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/technology/programmable-robot-swarms/)

微型仿生機器人蜜蜂RoboBees和蟑螂HAMR

這兩款機器人也是Wyss的得意之作,幫助他們無數次登上《Nature》和《Science》的雜誌。

RoboBee最近一次登上《Nature》封面,是在今年6月份,此時的它終於甩掉跟隨它多年的小尾巴(外接電源線),成為一個可以自主飛行的小機器人人了。

而RoboBee問世大概可以追溯到2012年(有關它的第一篇《Science》文章發布)甚至更早。它只有一枚硬幣大,體重也只不過86毫克,薄如蟬翼的翅膀每分鐘都能煽動120次。這隻微型的仿生機器人一經問世便受到了很大關注,之後,它開始不斷的學習其他本領。

它利用靜電吸附,學會在樹葉、牆壁等表面休憩,減小能源的消耗:

學會了在水下游泳,以適應更多的偵查任務:

再後來柔弱的它突破水的表面張力,學會了如何從水下一躍而出:

相信這隻機器人還會在哈佛科研人員的不斷努力下,繼續進步,終有一天無限逼近於現實生活中的蜜蜂。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/technology/autonomous-flying-microrobots-robobees/)

雖然現實生活中我們都很討厭蟑螂,但是它以極強的抗壓能力,和極快的運動速度,受到很多科學家的青睞,Wyss研究所也不例外,他們研發出了一款仿生蟑螂機器人,HAMR體重僅有1.5克,卻擁有超過60個關節,甚至能模仿蟑螂的模仿蟑螂的髖關節和腿關節。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/technology/versatile-ambulatory-microrobots/)

而HAMR細巧的身形,高達每秒8.4倍身長的移動速度,堪比現實生活中的“小強”:

之後的HAMR也是在科研人員的努力下,實現了自由穿梭的水陸兩棲:

軟體機器人

2016年8月25日,Wyss研究所的一款章魚機器人Octobot發表在《Nature》雜誌上,這款機器人一經問世,便橫掃各大頭條,因為它讓我們看到了一款完全自動、完全柔性、自帶燃料、無需電池全軟體機器人。

這款由硅橡膠製成的Octobot不靠電來驅動,而是通過化學反應產生的大量氣體聚集壓縮,藉助壓強變化,實現機械臂的運動。這是人類有史以來第一個全軟體機器人,被認為意義重大。

據介紹,Octobot的“大腦”部分是柔性微流體迴路,可以用由壓強激活的閥門和開關,在通道內傳導液體燃料。這種液體燃料是50%濃度的過氧化氫溶液,它會在鉑的催化下快速生成大量的水和氧氣,生成物的體積比原本的反應物大,從而改變通道內的壓強。章魚機器人的機械臂受到突然增大的壓強影響,會膨脹舒展,從而實現機械臂的運動。排氣孔同時保證氧氣最終會通過排氣孔排出。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/the-first-autonomous-entirely-soft-robot/)

之後的2018年,Wyss研究所受澳大利亞小孔雀蜘蛛啟發,研究出另外一款全軟體機器人MORPH,它體內沒有硬電子元件,沒有電池或計算機晶元,並且也不需要連接到計算機就可以自主移動。在蜘蛛機器人的主體內部是一個薄的中空管系統,通過向該系統泵送特種液體,可以驅動其四肢。

據介紹整個機器人由12層硅膠組成。先用光刻(Lithography)微雕技術,“雕刻”好每一層的模具,然後把硅膠附到模具上,得到每一層的硅膠結構,最後把12層硅膠結構粘合在一起,成了這個又靈活又複雜的“蜘蛛”機器人。由於此款機器人可以做成毫米級,因為被認為將來有望應用於醫療機器人領域,讓這隻蜘蛛爬進你的身體。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/soft-multi-functional-robots-get-really-small/)

在最新一期的《Science Robotics》上,Wyss研究所和巴魯克學院的研究人員開發出一種超柔軟的抓手。夾具的六個“指狀物”由薄而扁平的硅膠條組成,中間通道粘合到一層柔韌但更硬的聚合物納米纖維上。手指連接到矩形的3D列印塑料“手掌”上,當它們的通道充滿水時,在納米纖維塗層側的方向上捲曲。可以輕輕的抓住和釋放脆弱的海洋生物。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/a-gentle-grip-on-gelatinous-creatures/)

註:由Wyss研究所出品的軟體機器人抓手不止以上這一款,這裡就不一一介紹了。

以摺紙為靈感的機器人

2017年11月,哈佛和麻省理工聯手,做了一款,能承受超過自身重量1000倍的軟體機器人。這是一款利用摺紙,仿照人體骨骼和肌肉的結構,創造的一款新型機器人。

充滿空氣或流體的密封袋作為肌肉,可摺疊的摺紙結構作為骨骼,當使用電動泵減少袋內的壓力時,整個結構就像手臂或腿部的肌肉一樣收縮。

因為內部存在類似摺紙的結構,所以機器人的形狀結構可以有很多變化,可以有一維的線性方向的運動,也可以做二維的平面運動。甚至可以讓一整張的摺紙,做成三維方向的運動,這樣機器人就像一個網兜那樣,可以任意的拈花惹草了。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/technology/soft-artificial-muscles-for-soft-robots/)

2018年7月,哈佛大學Wyss研究所開發了一款以摺紙為靈感的機器人抓手,其全名為rotary actuated dodecahedron縮寫為RAD,並發表在《ScienceRobotics》上。

RAD看上去像一個5瓣的花朵,5個花瓣完全相同,是3D列印的聚合物,這種材料質地柔軟耐用。花瓣們被連接到一系列的旋轉接頭上,僅需要一個電機就能讓整個結構圍繞其關節旋轉,將抓手摺疊成中孔的12面體。而且研究人員嘗試了幾種不同的形狀,但這種12面版的效果最好。它能夠在觀察到獵物時迅速關合併且給獵物留下足夠的空間。

這款機器人抓手還被安裝在了一款水下機器人機體上,並成功潛入700米海底警醒了深度測試。在遠程測試中它也成功捕獲並釋放了魷魚、章魚和水母等標本。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/studying-aliens-of-the-deep/)

在最新一期的《Science Robotics》上,哈佛大學Wyss研究所約翰·保爾森工程與應用科學學院(SEAS)和加州理工學院的研究人員共同開發了靈感來自摺紙的軟機器人系統,他們將液晶彈性體這種活性材料,以3D列印的方式列印到機器人的軟鉸鏈之中。通過控制活性物質的與其他材料的成分,使列印出來的鉸鏈摺疊的響應溫度不同,從而實現以編碼的形式控制機器人的摺疊順序。

按照這種原理,他們製作出一個五角形輪。輪子可以在有溫度的平板上完成自動摺疊,並向前滾動的動作,並給他起名為Rollbot。在沒有變形前,它是一個大約8厘米長、4厘米寬的平板。當放置在熱表面上時它首先會捲曲成五角形輪。捲曲之後,嵌入在輪子五個面上的每個側面上的鉸鏈在與熱表面接觸時也會發生摺疊,這樣就會推著車輪轉向下一側。當該側離開熱表面時,鉸鏈會恢復原狀,為下一個循環做好準備。

據介紹,該款機器人為打造完全不受束縛的軟體機器人鋪平了道路。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/self-folding-rollbot-paves-the-way-for-fully-untethered-soft-robots/)

其他

當然,出自該研究所的機器人還有很多。比如前段時間剛剛登上《Science》封面的柔性織物外骨骼。這套衣服可以讓人在行走時節省9.3%的能量,在跑步時節約4%的能量,這個效果相當於佩戴者減重了7.4公斤和5.7公斤。

這套重達5公斤的裝備由織物包裹,在腰背和大腿處與腰帶連結,其在大腿處的裝置會產生拉伸作用,以協助髖部伸展。同時軀幹部的感測器在檢測佩戴者是在走路還是運動,大腿處的感測器檢測腿部位置的變化,這時候裝備後面的馬達(驅動器)就會在佩戴者前腳落地之前拉伸裝備,這就可以幫助臀部伸肌,節約相同運動力度所消耗的能量。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/suit-up-with-a-robot-to-walk-and-run-more-easily/)

還以一隻仿生蛇機器人,同樣發表在(Science Robotics)上。這些科學家利用激光切割技術將聚酯皮膚裁剪成了鱗狀,這些鱗片可以緊抓地面,就像冰鎬一樣。當管中注入了空氣,整個結構便會向前擴展,這樣一來,機器人便會伸長或縮短。

這個工作原理利用到的就是蛇的運動機理。蛇的鱗片其實都是指向一個方向,這就使其在爬行過程中能產生很大的摩擦力,從而令蛇能夠更容易的向前移動,而不是向後移動。在移動時,其鱗片很滑,這有助於它向前爬行。而當蛇想要向另一個方向移動時,其腹部的鱗片又具有粘性,能夠使其抓住地面,進行快速移動。(該款機器人鏈接:https://wyss.harvard.edu/snake-inspired-robot-uses-kirigami-to-move/)

當然,出自Wyss研究所的還有很多款機器人,這裡就不一一介紹了,感興趣的朋友可以去查閱他們的官網,你會震驚於這個強大的研究所。另外,以上機器人也有很多Wyss研究所與哈佛大學的其他學院或者是其他學校共同合作完成,小編認為這些合作同樣能展現Wyss研究所的實力。

阿波羅網責任編輯:王和 來源:機器人大講堂 轉載請註明作者、出處並保持完整。

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