研究人员提出了新的在颗粒介（jiè）质中挖掘（jué）的动力学理解（jiě），结合关键结果设计出一款带有尖端延（yán）伸（shēn）喷气装置的（de）管状（zhuàng）机器（qì）人，控制地（dì）下的相互作用力来实（shí）现快速、可控的（de）三维挖（wā）掘。

该论文题目为《软体机（jī）器人（rén）通过控制地（dì）下力（lì）量实现快（kuài）速可控挖洞（dòng）（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日发表（biǎo）在《科学·机器人》上。

▍软体机器人（rén）地下挖掘（jué）面（miàn）临阻力和升力

机器人非常（cháng）适合在（zài）极端环境下使用，如太空（kōng）、海底（dǐ）或灾（zāi）难（nán）现场。现（xiàn）在的机器人已（yǐ）经可以上天下海，并且在陆地上进行各（gè）种自由活动（dòng）。然（rán）而，机器人运动的一个（gè）前沿领（lǐng）域仍未（wèi）被探索，那就是地下。

论文的第一作者，来（lái）自（zì）加利（lì）福（fú）尼亚大学圣塔芭（bā）芭（bā）拉分校霍克斯实验室（Hawkes Lab）的研究生（shēng）尼古拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说：“在（zài）地面上让（ràng）机器（qì）人运动，最大挑战是其（qí）所涉及到的（de）各种力（lì），空气和水（shuǐ）对于穿（chuān）过（guò）它（tā）们的物体（tǐ）阻力很小（xiǎo）。但是进入地下世界就是另一回事了（le）。如果你试图钻（zuàn）进地下，就必须将土壤、沙子或其（qí）他介质推开。”

在地下运动（dòng）很困难，部分原因是（shì）土壤和颗粒介质产生的阻力不仅（jǐn）比空气或（huò）水产生的阻力大几个数（shù）量（liàng）级，还存在一（yī）种不同类型的升力。现有挖掘方法大都依（yī）赖于（yú）大型机械装置（zhì），这（zhè）些装置具有坚硬而巨（jù）大的部件，常用装置如螺旋钻机、液压旋转钻机、隧道钻机等，有效地克（kè）服了这些（xiē）力。但是大型装置（zhì）的挖掘方（fāng）式并不（bú）适合小（xiǎo）型、微创机器人。

适合机（jī）器人的机械挖掘（jué）方式被逐渐（jiàn）提出，包（bāo）括螺杆钻机、往复（fù）式钻（zuàn）机、锤（chuí）击机制等。例如，美国宇航局（NASA）2018年向火星发（fā）射“洞察号（hào）”探测器时，装备了一（yī）种挖掘机器人“鼹（yǎn）鼠”，就采用了自锤击方式（shì）挖洞，但是受火星土（tǔ）壤（rǎng）性质影响，一（yī）直未能成功。2021年1月，相关工程师在最后一次尝试后，放弃使用（yòng）“鼹鼠（shǔ）”进行火星（xīng）地底挖掘。可以（yǐ）看出，机器人（rén）挖掘地下还面临很多挑战。

研究人员（yuán）从在地下活（huó）动（dòng）的植（zhí）物和（hé）动物身上汲（jí）取灵（líng）感，开发出了一种（zhǒng）快速、可控的软体机器人，这款机器人目前（qián）成功实现在沙（shā）子中挖洞（dòng）。此项技术不仅实现机（jī）器（qì）人在地下进行快速、精确、小范围运（yùn）动，还奠定了这类新型（xíng）机器（qì）人的机（jī）械基础。

▍自（zì）然界可替代挖（wā）洞思路

自然界在地下生长延伸成网络的植（zhí）物（wù）和真（zhēn）菌为研究人员提供（gòng）了（le）许多地下（xià）运动的（de）例子，而动物则（zé）掌握（wò）了直接穿过颗（kē）粒（lì）介（jiè）质的能力。佐治亚理工学（xué）院物理学教授丹尼尔·戈德（dé）曼（Daniel Goldman）表示，从（cóng）机（jī）械物理角度理解植（zhí）物和动物如何掌握地下运动能力，为（wéi）科学（xué）和（hé）技术开辟了许多可（kě）能性。

“研究不（bú）同生物体在颗粒介质中（zhōng）成功游动和（hé）挖掘原（yuán）理得出的发现，可以用（yòng）来开发新型机械和机器人。”戈德（dé）曼说：“反过来，开发具有这种（zhǒng）能（néng）力的机器人可以促进新的动物研究，以及颗粒基质物理学中新现象的（de）发现（xiàn）。”

霍（huò）克斯实验室（shì）研究人员设（shè）计的藤蔓状软体机（jī）器（qì）人就是（shì）一个（gè）良好的（de）开端，该机器人模仿了植物其他（tā）部分保持静（jìng）止情况下，根（gēn）部尖端生长运动的方式（shì）。根据研究人员（yuán）的说法，在地下环境中，尖端生（shēng）长保持较（jiào）低的阻力，但仅（jǐn）局限于（yú）生（shēng）长端；如果（guǒ）整（zhěng）个机器人身体（tǐ）随着“长大”而移动，介（jiè）质（zhì）表面（miàn）的摩擦（cā）力会随（suí）着（zhe）机器人更多部分进入沙子而增加，直到机器人不再移动。

策略1：尖端延伸

穴居（jū）动物启发了另一种称（chēng）为颗粒流化的策略，该策略是将颗粒转（zhuǎn）化成类（lèi）似悬浮流（liú）体的状态，使动物能够（gòu）克服沙子或松散土壤带（dài）来的高（gāo）阻（zǔ）力。例如，章鱼会向（xiàng）地下喷（pēn）射一（yī）股水流，然后用它的（de）触手将自己拉入暂时松动的（de）沙子中。研究人员在机器人上安装了（le）一种基于尖端的流动装置，该装置将空（kōng）气喷射到尖端之（zhī）前的区域，使机器（qì）人能够进入该区域。

纳克莱里奥说：“我们的最大挑战（zhàn），也是花费时间（jiān）最（zuì）长的问题是，当机器人切（qiē）换到在水平方向上挖（wā）洞时，它总是会浮出（chū）来（lái）。”他解释道（dào），尽管气体或液（yè）体可以均匀地在对称物体的上方和下方产生流动，但在流（liú）化（huà）沙中，力的分布（bù）并不平衡，并且对水平运动的机器人（rén）产生了显著的（de）上升力。“将沙子推开（kāi），比将其压实（shí）要容易得（dé）多。”

为了了解（jiě）机器人（rén）的运动情况和探究（jiū）空气辅助进（jìn）入的大部分未知物理特性，该团队（duì）测量了机器人（rén）从（cóng）水平方向推入沙（shā）子，其尖端（duān）实心棒附近（jìn）流入的不同角度气流导致（zhì）的阻（zǔ）力和（hé）升力。

“颗粒材料中产（chǎn）生的摩擦力与牛（niú）顿流体中产生的摩擦（cā）力有很大不同，由于（yú）高摩（mó）擦力，机器人进（jìn）入沙子，会在运动方向（xiàng）上挤压（yā）大片空间。”罗（luó）切斯特大学的高盛实验室（shì）（Goldman’s lab）研究生安（ān）德（dé）拉斯·卡尔赛（Andras Karsai）说：“为（wéi）了缓解这种情况，一（yī）种将颗（kē）粒（lì）物体提升（shēng）和（hé）推开的低（dī）密度流体通常会减少机器人必须克服的静摩（mó）擦（cā）力（lì）。”

与气体（tǐ）或液体不同，向下的流体喷射（shè）会为移动的物体产生升（shēng）力，而在沙子中，向下的气流降（jiàng）低了升力（lì），机（jī）器人实现在延伸出（chū）的尖端下方挖洞。结合（hé）从沙漠蜥（xī）蜴那获（huò）得的灵感，类似沙漠蜥蜴楔形的头（tóu）部有利于（yú）机（jī）器人向下运动，使研究人（rén）员（yuán）能够调节阻力并保持机（jī）器人水平移动而（ér）不会从（cóng）沙（shā）子中浮出（chū）。

▍气动尖端延伸助力机器人（rén）快速挖洞

三种机器人挖掘策略效果都很明显（xiǎn）：

采用尖端延伸设计可（kě）以减少机器人所受阻力。软（ruǎn）体机（jī）器人和刚（gāng）性材料机器人在（zài）相同类（lèi）型（xíng）的沙（shā）子表面向下挖（wā）洞时，其前端阻力相同，但（dàn）软体机（jī）器人（rén）的接（jiē）触阻力较少。相比（bǐ）与之（zhī）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（zǐ）中的（de）极限速（sù）度是每秒480厘米，已经可以实现高速挖洞。

局部颗粒流化减（jiǎn）少（shǎo）阻（zǔ）力。软（ruǎn）体机器（qì）人从尖端喷射（shè）气流后，降低（dī）了（le）穿过（guò）干燥沙（shā）子（zǐ）的阻（zǔ）力，并（bìng）且机器人受（shòu）到（dào）的阻力（lì）与进入深度（dù）非（fēi）线性（xìng）比例增长，而（ér）喷射（shè）气体流速增加会导致（zhì）比例减（jiǎn）少。

而不（bú）对称的向下气流可以控（kòng）制（zhì）机器人（rén）受到的升力。在（zài）大多数喷（pēn）射（shè）气流角（jiǎo）度下，增加气流会降低沙子带来的升力。但是比较出乎意料的是不论气流（liú）大小，在30度（dù）方向喷射气流角度（dù）时，机（jī）器人受到的升力最大（dà）。

新款（kuǎn）软体（tǐ）机器人在长（zhǎng）、浅、定向挖洞方面有更好的性能。像这样的小（xiǎo）型探索性软（ruǎn）体机器人具有多种应用（yòng），可（kě）以（yǐ）完成在干燥的颗粒介质（zhì）中进（jìn）行表层挖洞（dòng）的任务（wù），例如土壤采样、公用（yòng）事（shì）业（yè）的地下安装和防侵蚀控制。机器（qì）人控制尖端延伸方向（xiàng）并（bìng）调（diào）节它在（zài）介质中（zhōng）锚定（dìng）的牢固程度，这种控制（zhì）对于在低重力环境中的探（tàn）索（suǒ）非常有用。事（shì）实上，该团队正在（zài）与（yǔ）NASA合作开展一个项目，在（zài）月（yuè）球甚至更远（yuǎn）的天体（如木（mù）星、卫星、土卫二）上（shàng）开（kāi）发（fā）挖洞技术。

霍（huò）克斯（Hawkes）说（shuō）：“我们相信挖洞有可（kě）能为外星应（yīng）用（yòng）机器人开辟（pì）新的途径。”

▍新材料（liào）和新（xīn）控制技术让软体机器人（rén）有更多可（kě）能

软体（tǐ）机器人目前（qián）的研究涉（shè）及新材（cái）料（liào）和新控制技术，例如（rú）最（zuì）新这（zhè）款挖洞机器人就（jiù）是参（cān）考自（zì）然界的植物、章鱼、沙漠蜥蜴等钻地（dì）挖洞的机制，设计新的控制技术，韩国首尔国立（lì）大学的（de）J.-Y.Sun团（tuán）队研究（jiū）了水凝胶这种（zhǒng）新材料应用（yòng）于制作软体机器（qì）人组件。

传统机器人大多是由限制（zhì）弹性变形能力（lì）的刚（gāng）性材料制成。软体机器人（rén）这种新型仿生连续体机器人，可以（yǐ）在（zài）一定限度（dù）内（nèi）随（suí）意（yì）变化形态，弥补传统机器人在适应多（duō）变环境上的不足，有（yǒu）望在生物工程、救灾救援、工业生产、医疗服（fú）务、勘（kān）探勘（kān）测（cè）等（děng）领域（yù）发挥重要（yào）作用。