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北卡州立尹杰、蘇浩團(tuán)隊(duì) Sci. Adv.：物理智能軟機(jī)器人自發(fā)逃離迷宮

2023-09-12 來源：高分子科技

關(guān)鍵詞：液晶彈性體幾何非對(duì)稱扭帶物理智能軟體機(jī)器人

自主逃離迷宮對(duì)于軟體機(jī)器人來說是一個(gè)有趣且非常有挑戰(zhàn)性的課題。迷宮通常用來衡量與測(cè)試機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境的處理、計(jì)算以及應(yīng)變能力，一定程度上反應(yīng)了機(jī)器人的智能水平，從而用于探索未知的復(fù)雜環(huán)境。挑戰(zhàn)性在于軟體機(jī)器人通常需要在其柔軟身體上集成動(dòng)力、傳感器和控制等硬件來實(shí)現(xiàn)類似人腦的決策以及執(zhí)行功能。目前軟體機(jī)器人逃離迷宮往往是通過兩種途徑來完成：一種是通過人為操作機(jī)器人逃離，比如通過遠(yuǎn)程控制外加磁場(chǎng)或者光源，可以實(shí)現(xiàn)無牽引軟機(jī)器人，但無法讓軟機(jī)器人自我決定運(yùn)動(dòng)路徑，從而缺乏智能。另一種則是通過機(jī)載的電源和控制器來完成。這種方式也有弊端，比如結(jié)構(gòu)以及控制復(fù)雜，無法自主求解復(fù)雜迷宮等等。

最近，來自美國(guó)北卡州立大學(xué)的尹杰和蘇浩團(tuán)隊(duì)提出了一種新的解決思路 - 利用智能材料（液晶彈性體）和獨(dú)特結(jié)構(gòu)（幾何非對(duì)稱扭帶），設(shè)計(jì)了一款具有物理智能的“無腦”自主逃離迷宮的軟體機(jī)器人。該機(jī)器人可以在環(huán)境熱源的驅(qū)動(dòng)下，自主逃離各種挑戰(zhàn)性迷宮，比如單通道迷宮單元（圖1），多通道迷宮（圖2）、沙子上的迷宮、狹窄縫隙迷宮（圖3），甚至是隨時(shí)間變化迷宮圖案的動(dòng)態(tài)迷宮（圖4）。該工作以“Physically intelligent autonomous soft robotic maze escaper”為題近日在線發(fā)表于Science Advances雜志上。

與傳統(tǒng)的基于處理器計(jì)算控制的具備“大腦”的機(jī)器人相比，該軟體機(jī)器人不再需要“大腦”，也就是不需要任何電子設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制，可以依靠自身的材料智能 - 液晶彈性體，一種熱源或光源響應(yīng)的活性軟材料，與結(jié)構(gòu)智能相結(jié)合 - 兩端具有扭轉(zhuǎn)和螺旋形狀的不對(duì)稱幾何扭帶結(jié)構(gòu)，由環(huán)境熱能來自我驅(qū)動(dòng)滾動(dòng)與路徑抉擇。該軟體機(jī)器人可以與周圍環(huán)境以及障礙物進(jìn)行交互式互動(dòng)與作用，來實(shí)現(xiàn)自我感知障礙物，自我避障、以及自我路徑選擇與決定等功能。

這種軟體機(jī)器人是基于該團(tuán)體之前的幾何對(duì)稱設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)和提高，使得軟體機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)不對(duì)稱性。紐帶狀軟體機(jī)器人兩端不對(duì)稱性賦予了其新增內(nèi)置主動(dòng)和持續(xù)自轉(zhuǎn)彎能力，同時(shí)保有原有設(shè)計(jì)中碰到障礙物時(shí)，自發(fā)突跳反向或繞障礙物旋轉(zhuǎn)功能。這兩種自發(fā)功能的加持使得該軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的曲線行走路徑，自主轉(zhuǎn)彎以及避障，從而大大增強(qiáng)了逃逸迷宮陷阱的死循環(huán)能力，可以輕松逃離各種多通道靜態(tài)以及動(dòng)態(tài)迷宮，甚至是在沙地上的迷宮等。與之形成鮮明對(duì)比的是，對(duì)稱性軟體機(jī)器人由于缺乏持續(xù)自主轉(zhuǎn)彎能力，導(dǎo)致其甚至?xí)耆萑胱詈?jiǎn)單的迷宮基本單元 - 由兩堵平行墻組成的單通道受限空間，在兩堵墻之間來回突跳與滾動(dòng)而無法逃逸，更不用說更為復(fù)雜的多通道迷宮，從而深陷其中無法逃離。