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研（yán）究人（rén）员（yuán）提出了新的在颗粒介质（zhì）中挖掘的动力学理解，结合关键结（jié）果设计出一款带有尖（jiān）端延（yán）伸喷（pēn）气装置的管状机器（qì）人，控制地下的相互作用力来实现快（kuài）速、可控的三维（wéi）挖掘。
该论（lùn）文题（tí）目为《软体机器（qì）人通过（guò）控（kòng）制地（dì）下力量（liàng）实现快速可控挖（wā）洞（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月（yuè）16日发表（biǎo）在《科学·机（jī）器人》上。
▍软体机器人（rén）地下挖掘面临阻力和升力
机器人非（fēi）常适合在（zài）极（jí）端环境下（xià）使用，如太空、海（hǎi）底或灾难现场。现在（zài）的机器人已经可以（yǐ）上（shàng）天下海，并且在（zài）陆地上进（jìn）行各种（zhǒng）自由活动（dòng）。然而，机器（qì）人运动的一个前沿（yán）领（lǐng）域仍未被探（tàn）索，那就是地下。
论文的第一作（zuò）者，来自加利（lì）福尼（ní）亚大学圣塔芭芭拉分校霍克（kè）斯实验室（Hawkes Lab）的研究生尼古（gǔ）拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说：“在地（dì）面上让机器（qì）人运动，最（zuì）大挑（tiāo）战是（shì）其所涉及到的各种力，空气和水（shuǐ）对于穿过它们的（de）物体阻（zǔ）力很小。但是进入地下世（shì）界就是另一（yī）回事了。如果你（nǐ）试（shì）图钻（zuàn）进地下，就必须将土壤、沙子或其他介（jiè）质推开（kāi）。”
在（zài）地（dì）下（xià）运动（dòng）很（hěn）困（kùn）难，部分原因是（shì）土壤和颗粒介（jiè）质（zhì）产（chǎn）生（shēng）的阻力不仅比（bǐ）空（kōng）气（qì）或水产（chǎn）生的（de）阻力大几个数量级，还存在一（yī）种不同（tóng）类（lèi）型（xíng）的升（shēng）力。现有（yǒu）挖掘方法（fǎ）大都依赖于大（dà）型机械装置（zhì），这些装置具有坚硬而巨大的部件，常用装置如螺旋钻机（jī）、液压旋转钻（zuàn）机、隧道钻机等，有效地克服了这些力。但是大型装置（zhì）的挖掘方式并（bìng）不适合（hé）小型、微创（chuàng）机器（qì）人。
适合机器人的（de）机械挖掘方式被逐渐提出，包括螺杆钻（zuàn）机、往复式钻机（jī）、锤（chuí）击机制（zhì）等。例如，美国（guó）宇航局（NASA）2018年向（xiàng）火星发射“洞察号”探测器时，装（zhuāng）备了一种挖掘机器（qì）人“鼹鼠”，就（jiù）采用了自锤（chuí）击方式挖洞，但（dàn）是（shì）受（shòu）火星土壤性（xìng）质影（yǐng）响，一直未能成功。2021年1月（yuè），相关工程师在最后一次尝试后，放弃使用“鼹鼠（shǔ）”进行火星地底挖掘。可以看（kàn）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（zhí）物和动物身上汲取灵感，开（kāi）发出了一种快速、可控的软体机器（qì）人（rén），这（zhè）款机器人目前成功（gōng）实现在沙子（zǐ）中挖洞。此项技术不仅实现（xiàn）机（jī）器人在地下进行快速（sù）、精确、小范围运动，还奠（diàn）定了这类新型机器人的机械基础。
▍自然（rán）界可替代挖洞思（sī）路（lù）
自（zì）然（rán）界在地下生长（zhǎng）延（yán）伸（shēn）成网络的植（zhí）物（wù）和真（zhēn）菌为研究人（rén）员提供了许多地下（xià）运动的例子，而动（dòng）物则掌握了（le）直接穿过颗粒介质（zhì）的能（néng）力。佐（zuǒ）治亚理（lǐ）工学院（yuàn）物理学教授丹尼尔·戈德曼（Daniel Goldman）表示，从（cóng）机械（xiè）物理角度理解植物和动物如何掌握地下运动能力（lì），为科学（xué）和技术开辟了许（xǔ）多可能（néng）性（xìng）。
“研究不同（tóng）生物体在颗（kē）粒介（jiè）质中成功游（yóu）动（dòng）和挖掘原理得（dé）出的发现，可以用来开发新型机械（xiè）和（hé）机器（qì）人。”戈（gē）德曼说：“反过来，开发具有这种（zhǒng）能力的机器人可以（yǐ）促进新的动（dòng）物（wù）研究，以及颗粒基质物（wù）理学中新（xīn）现象的发现。”
霍克斯（sī）实验（yàn）室研（yán）究人员设计的藤（téng）蔓（màn）状软体机器人就是一个良好（hǎo）的开端，该机器（qì）人模（mó）仿了（le）植物其他部分保（bǎo）持静止情况下，根部尖端生长（zhǎng）运动（dòng）的方式。根（gēn）据研究人员的说（shuō）法，在地下环境中（zhōng），尖（jiān）端生长保持较低的阻力，但仅局限于生长端（duān）；如果整个机器（qì）人（rén）身体随着“长大（dà）”而移动（dòng），介质（zhì）表面的摩擦力会随（suí）着机器人更多部分（fèn）进入（rù）沙子（zǐ）而增加，直到机器人不（bú）再移（yí）动。
策略（luè）1：尖端延伸
穴居动物启发了另一（yī）种称为颗粒（lì）流（liú）化的策（cè）略，该（gāi）策略是（shì）将颗粒转化成类（lèi）似悬浮流（liú）体（tǐ）的状态，使动物能够（gòu）克（kè）服沙子（zǐ）或松（sōng）散土壤带来（lái）的高阻力。例如，章（zhāng）鱼会向地下喷射一股水（shuǐ）流，然后（hòu）用它的触（chù）手将自己拉入暂时松动的（de）沙子中（zhōng）。研究（jiū）人员在机器人上安装（zhuāng）了一种（zhǒng）基于尖端的流（liú）动装置（zhì），该装置将空气喷射到尖端之前（qián）的区域，使机器人能够进入该区域。
策略2：空气流体
纳克莱里奥说（shuō）：“我（wǒ）们的最大挑战（zhàn），也是花费时（shí）间最长的问题是，当机器人切换到在水平方（fāng）向上挖洞时，它总是会浮（fú）出（chū）来。”他（tā）解释道，尽管气体或液体（tǐ）可以均匀地（dì）在（zài）对称物体的上方和（hé）下方产生流动，但在流化沙（shā）中，力的分布并不平衡，并（bìng）且对水平运动的机（jī）器（qì）人产生了（le）显著的上升力。“将沙子推开，比将其压（yā）实要容易（yì）得多。”
为了了解机器人的运动情（qíng）况（kuàng）和探（tàn）究空气辅助（zhù）进入的（de）大部分未知物理（lǐ）特性，该团队测量（liàng）了机器人从水平方（fāng）向推入沙子，其尖端实心（xīn）棒附近流入的不同角度气流导致的阻力和升力（lì）。
“颗粒（lì）材（cái）料（liào）中（zhōng）产生的（de）摩擦力与牛顿流（liú）体中产生的摩擦力有很大（dà）不同，由（yóu）于高摩擦力，机器人进（jìn）入沙子（zǐ），会在（zài）运动（dòng）方向上挤压（yā）大片空间。”罗切斯（sī）特（tè）大（dà）学的高盛实验室（Goldman’s lab）研究生安德拉斯·卡尔（ěr）赛（Andras Karsai）说：“为了缓解这种情况，一种将颗粒物体提升和推开的（de）低密度（dù）流体通常会减少机（jī）器人（rén）必须克服的静摩擦力（lì）。”
与气体或液体不同，向（xiàng）下的流体（tǐ）喷（pēn）射会为移动的物体产生升力，而在沙（shā）子（zǐ）中，向下的气流降（jiàng）低了升力，机器人实（shí）现（xiàn）在延伸（shēn）出的尖端下方挖洞。结合（hé）从沙漠蜥（xī）蜴（yì）那（nà）获得的灵感，类似（sì）沙漠蜥蜴楔（xiē）形的（de）头部有利于机器人向下运（yùn）动，使研究人员能够调节阻力并保持机器人水（shuǐ）平移动而（ér）不会从沙子（zǐ）中（zhōng）浮出。
策略3：不对称气（qì）流（liú）喷射设计（jì）
▍气动尖端延伸助力（lì）机器（qì）人快速挖洞
三种机器人（rén）挖掘策略效果都很明（míng）显（xiǎn）：
采用尖端延伸设计可以减（jiǎn）少机器人所受阻力。软体机器人和刚（gāng）性（xìng）材料机器（qì）人在相同类型（xíng）的沙子表面向下挖洞时（shí），其前端阻（zǔ）力相同，但（dàn）软（ruǎn）体机器人的接触阻（zǔ）力较少。相（xiàng）比（bǐ）与之前的InSight HP3探测（cè）器在（zài）沙子中0.14米每秒的（de）速度，软体机器人在沙子中的（de）极限速度是（shì）每秒480厘米（mǐ），已经可以实（shí）现高速挖洞。
局（jú）部颗（kē）粒流化减少阻力。软体机（jī）器人（rén）从尖（jiān）端（duān）喷（pēn）射气流后（hòu），降低了穿过干（gàn）燥沙子的（de）阻力，并且机器人受到的阻（zǔ）力与进入深（shēn）度非线性比例增（zēng）长，而喷（pēn）射（shè）气体流速增加（jiā）会导致比例减少。
而不对（duì）称的向下气流可以（yǐ）控（kòng）制（zhì）机器人受到（dào）的升力（lì）。在（zài）大多数喷射气流（liú）角度下，增加气流会降低沙子（zǐ）带来的升力（lì）。但是（shì）比较出（chū）乎意（yì）料的是不论气流大小（xiǎo），在30度方向喷射气（qì）流角度时，机器（qì）人受到的升（shēng）力最大（dà）。
新（xīn）款软体机器人在长、浅、定向挖洞方面有更（gèng）好的性能。像这样的小型探索性软体机（jī）器人具有多种应用，可以完成在干燥的颗粒介（jiè）质中（zhōng）进行表层挖洞的（de）任务，例（lì）如土壤采样、公用事业的地下安装和防侵蚀控制。机器（qì）人控（kòng）制尖端延伸方向（xiàng）并调（diào）节它在介（jiè）质中锚定的牢固程度，这种控制对（duì）于在低重力（lì）环境中的探（tàn）索非常有用（yòng）。事实上，该团队正在与NASA合作开展（zhǎn）一个项目，在月球甚至更远的（de）天体（如木（mù）星（xīng）、卫星（xīng）、土卫二）上（shàng）开发（fā）挖洞（dòng）技（jì）术。
霍克斯（Hawkes）说（shuō）：“我（wǒ）们相信（xìn）挖洞有可能为外星（xīng）应用机器人开辟新的途径（jìng）。”
▍新材料和新控制技术让（ràng）软体机器人有更多可能
软体机器（qì）人（rén）目前的（de）研究涉及新材（cái）料和新控制技术，例（lì）如最新这（zhè）款挖洞机器人（rén）就（jiù）是（shì）参考自然（rán）界的植物、章鱼、沙（shā）漠蜥蜴等钻地挖洞的机制，设计新的控制技术，韩（hán）国首尔国（guó）立大学的J.-Y.Sun团队研究了水凝（níng）胶这种新材料应用于制作软体机器人组件。
传统机（jī）器人大多是（shì）由限制弹（dàn）性变形能（néng）力的刚性材料制成。软体机器人这（zhè）种新型仿生（shēng）连续体（tǐ）机器人，可以在一定限度内随意变化形态（tài），弥（mí）补传统（tǒng）机器人在（zài）适应多变环境上的不足，有望在生物（wù）工（gōng）程、救灾救（jiù）援、工业生产（chǎn）、医疗服务、勘探（tàn）勘测（cè）等领域发（fā）挥重要作用。
