华人一作发PNAS！螺丝粉秒变机器人

在设障的迷宫中，它可以自主穿行；在松软的沙丘上，它可以行动自如……

它外形像一条螺旋状的意大利面（Rotini，螺丝粉），但其实是一款新型的智能软体机器人。它在5月23日登上美国国家科学院院刊（PNAS），由美国北卡罗莱纳州立大学和宾夕法尼亚大学的研究团队共同研制。

那么，“螺丝粉”是如何变身成为机器人的？

“这条‘螺丝粉’由液晶弹性体材料制成，该材料在温度处于55摄氏度的表面上会发生形变运动。”论文通讯作者、北卡罗莱纳州立大学机械航空系副教授尹杰向《中国科学报》介绍，“因为它可以感知躯体位置并灵活移动，所以我们称其为软体机器人。”

会转弯、会弹跳

走迷宫

从上面的视频可以看到，这款螺丝粉状的软体机器人不仅会转弯，还会弹跳，由此成功完成“密室逃脱”。

论文第一作者赵耀在尹杰课题组从事博士后工作，他发现了这个有趣的现象。他解释道：“我们这款软体机器人是利用自我转向（self-turning）与自我突跳（self-snapping）这两种方式来逃离迷宫的。”

当这条“螺丝粉”的一端碰到障碍时，它会围绕着障碍物转变方向，从而实现自发越障；当它的中间部位遇到障碍物时，它会发生形状的突跳，从原来的向前弯曲（凸形）快速转变成向后弯曲（凹形），从而调转滚动方向来实现自发避障。

自我转向（self-turning）

自我突跳（self-snapping）

自我突跳往往发生在自我转向出现困难的时候，赵耀称其是一种把积攒的变形能量迅速释放的过程。

在这个过程中，这条“螺丝粉”会稍微跳离地面，并在落地前把自己重新定向。它还会多次尝试突跳，调整滚动的位置与方向，最终自发找到逃离障碍的路径。

“遭遇障碍物时，转向和突跳这两种行为在软体机器人身上对应着一个渐变的区域。”赵耀说，“当接触点落到身体的中部区域，软体机器人会发生突跳；当接触点稍微远离中部区域时，突跳难度增加；当接触点更加远离中部直到在两端1/5身长之内时，突跳会消失，取而代之的是自我转向。”

遭遇障碍物时，转向和突跳这两种行为在软体机器人身上对应着一个渐变的区域。

“没有芯片程序控制”

此前的研究发现，圆柱状液晶弹性体制成的软体机器人，在一定温度下可以自发地滚动，但它们在障碍物前会出现原地空转的现象。

“我们这款螺丝粉状的软体机器人在遭遇障碍物时的表现却大相径庭。”尹杰说，“不同于前人的研究，给软体机器人注入自我决策能力，它就可以自主地越过障碍物，逃离预设的迷宫。”

为什么前人的研究没能让软体机器人成功越障呢？

赵耀告诉《中国科学报》：“材料还是原来的研究材料，但我们改变了材料的形状。在尝试对其拉一拉、弯一弯、扭一扭后，我发现拉伸和弯曲并没有带来明显变化，适当地扭曲之后出现了很大的变化。”

在将扭曲后呈螺丝状的软体机器人，放置到超过55摄氏度的加热表面上时，赵耀观察到其底部与热表面接触的部分开始收缩，但其它暴露在室温环境中的部位并不收缩，在这种不对称的变形作用下，软体机器人向前轻微地弯曲，从而驱动其自发向前滚动。

在尹杰看来，他们研制的软体机器人有点类似家庭用的扫地机器人，因为它可以移动一些重量不超过它自重的物体。

他还指出：“不同于基于大脑运算的生物智能，这是基于物理智能的智能软体机器人，没有芯片程序控制，而是利用了来自环境的热量实现感知和运动。”

扫地

有望在太空行走

在实验中，这条“螺丝粉”可以从室外自然环境中吸收能量实现自发滚动，比如在晴天室外的车顶或烧烤架上自行爬行等。

在晴天室外的车顶或烧烤架上自行爬行

“热表面温度越高，滚动速度也越快。”赵耀向《中国科学报》介绍，“我们研制的软体机器人自主运动的温度区间是55～200摄氏度。”

研究人员曾尝试将软体机器人放在烈日暴晒的地面上，但因为温度不够高，其无法实现自主运动。

哪里的地表温度可以达到55摄氏度以上呢？研究人员想到了沙漠。

一般机器人在沙漠行走比较困难。但赵耀发现，这款软体机器人可以在各种类似沙漠环境的松散沙地上行走，如履平地。这得益于其锯齿状的轮廓外形，可以通过嵌入沙地来增加爬行抓力，从而在攀爬沙丘时有效地避免打滑或深陷。不仅是沙地，它还成功穿过了凹凸不平的细石子路。

尹杰希望未来可以设计一款智能软体机器人，通过吸收自然界环境中的热量作为能量源，从而自主穿越沙漠等复杂的环境来采集地表信息，并应用于恶劣环境监测与救援等。

他还大开脑洞地展望：“如果液晶弹性体材料能适应更低的温度，并能集成微型传感器，我们有望制成能在太空行走的软体机器人。”

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