0.08s内可挖30cm深的沙子，可模仿章鱼把身体埋入沙土，“遁地”机器人有望用于小行星取样或锚定 | 专家解析

很多人都爱玩打地鼠的游戏，这种动物的挖洞能力极强。那么，机器人是否也能像地鼠一样挖洞？

很多人都爱玩打地鼠的游戏，这种动物的挖洞能力极强。那么，机器人是否也能像地鼠一样挖洞？

最新一期《科学・机器人》（Science Robotics）杂志封面论文，讲的正是挖洞机器人，该研究由加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校和佐治亚理工学院的研究人员共同完成。

据悉，该机器人重 780g，主要包含杠杆体、气流供应管线和密封件，其身体压力由高达 150kPa 的压缩空气或氮气提供。而向前和向下的气流管，可分别提供高达 30L 和 300 L/min 的压缩气体。

基于对动植物在颗粒介质中进行挖掘的动力学理解，该团队设计出了这款管状机器人，它的顶部包含尖端延伸喷气装置，可通过控制地下的相互作用力，来实现高速穿透地面以及地下挖掘。

相比同类机器人，该机器人的拉力可增强数十倍，从而可实现快速水平移动和垂直移动。

正在美国西北大学读书、2020 年曾在同一期刊发表论文的袁航告诉 DeepTech，这是一款可在颗粒介质环境中完成快速可控三维挖掘的软体机器人，该工作巧妙借鉴了自然界中相关植物与动物、在地下颗粒介质环境移动时采取的策略。

章鱼、植物尖端和沙漠蜥蜴，带来三大设计灵感

在当前挖掘作业中，人们普遍使用螺旋钻机、液压旋转钻机、隧道钻机等，但这并不适用于小型机器人。后来，螺杆钻机、往复式钻机、锤击机制等机器人挖掘方式逐渐被提出。

2018 年，美国宇航局（NASA）发射 “洞察” 号火星无人着陆探测器时，一款名为 “鼹鼠” 的挖掘机器人与之随行，其采用自锤击的挖洞方式，在实验室测试中该装置能在 12 小时内挖出 5 米深。

但由于火星土壤性质原因，登上火星 2 年之久，“鼹鼠” 也未能在火星成功挖洞。2021 年 1 月，由于多次尝试未果，NASA 最终决定放弃 “挖火星”，由此可见难度之大。

该团队也在论文中表示，陆地、空中和水中机器人的开发进展非常顺利，但地下机器人却遇到了很多困难。

最大的困难之一是，在基本数据不足以让人从物理角度获悉物体如何在地下运动的情况下，人们很难开发出可控制地下复杂运动的导航系统。

本次论文的第一作者加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校霍克斯实验室的尼古拉斯・纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）表示，地面机器人在穿过物体时，受到空气和水的阻力很小，但在地下运动就必须推开土壤、沙子或其他介质。

更困难的是，沙土颗粒产生的阻力远超空气或水产生的阻力，此外在地下还会遇到升力。这时，自然界的动植物启发了他们。

植物给予他们的灵感是：部分植物的尖端在地下生长时可延伸成网络，进而具备穿过沙土的能力，这也是植物根系在土壤中钻孔的方法。

比如，尖端延伸可让野生无花果树的根延伸到 120 米、以及让美国白杨树的根覆盖 0.433km²。

该团队表示，植物尖端在地下生长时，其生长端的阻力较低。如果机器人身体能一边长大一边移动，就能让更多身体部分进入沙土，沙土表面的摩擦力也会随之增加。

厘清这些原理后，研究人员以地下植物和地下动物为灵感，成功研发出这款挖洞机器人，目前已实现在沙子中挖洞。

章鱼在地下进行活动时，会先喷射一股水流以便松动沙子，接着用触手把身体拉入沙中。该方法的学名叫颗粒流化，指的是把颗粒转成悬浮流体状态，如此就能克服沙土中的高阻力。

章鱼在海底快速移动时，还可呼出空气，而基于该原理研发的技术，可让机器人在沙子中快速移动的同时，还可向各个方向撒沙。

该团队表示，他们遇到的最大挑战是，当把机器人切换到水平方向开挖时，总是会浮出来 “度过一段艰难的时光”。

这是因为在对称物体的上下方，虽然气体和液体可进行均匀流动，但流化沙的力量分布并不平衡，因此会给水平运动的机器人带来显著的上升力。这导致机器人能推开沙子，但却难以压实沙子。

为探明原因，尼古拉斯等人让机器人从水平方向推入沙子，这时其尖端实心棒附近会流入不同角度的气流，对于这些气流产生的升力和阻力，该团队做了测量。

他们发现，相比牛顿流体中产生摩擦力，沙子等颗粒材料产生的摩擦力非常迥异。当机器人在沙子中运动时，产生的高摩擦力更高，这时处于运动方向的机器人会挤压大片空间。

那么，解决办法是什么？答案是沙漠蜥蜴。

沙漠蜥蜴有着楔形的头部，这让它在沙里挖洞时可以调节升力。以此为借鉴，该团队把机器人头部设计成类似形状，就能对其阻力进行条件，从而保证机器人在沙子中维持水平移动，以避免从沙子中浮出。

最近刚在《科学・机器人》发表过论文的美国波士顿大学工程学院博士生杨溢表示，沙子在静态时具有固体性质，但是在有气流穿过其空隙、或者震动的情况下会展现流体性质。该团队通过在沙子中注入气流，使得机器人可以在沙子里轻易穿行。

概括来说，作为设计挖洞机器人的 “灵感缪斯”，植物尖端、章鱼和沙漠蜥蜴这三样自然动植物功不可没。

曾在《自然》发表过机器人相关封面论文的浙江大学航空航天学院交叉力学中心教授李铁风告诉 DeepTech：“生物在应对和改造外部环境上常有‘奇招’，将之应用在在机器人系统中则有望实现优异性能。该机器人由几类生物挖掘钻地的行为与结构特征启发，利用软体材料与结构实现沙地挖掘，在驱动方法和结构设计上都体现了创新，对探测与作业机器人的研究和应用将起到推动作用。”

具体来说，以植物尖端为灵感带来的尖端延伸设计，可降低机器人的阻力，最终让机器人能以每秒 480 厘米的速度，在沙中快速挖洞。

以章鱼为灵感做出的局部颗粒流化设计，可让机器人借助尖端喷射气流的步骤，降低穿越干燥沙子的阻力。

以沙漠蜥蜴为灵感设计的机器人头部，可在不对称的向下气流中，控制机器人遇到的升力。比如在喷射气流角度下，当增加气流时沙子的升力会被降低。

正在康奈尔大学做博后研究、2021 年初曾发表过《科学・机器人》封面论文的刘清坤告诉 DeepTech，该机器人的最大亮点在于可进行快速可控的掘地运动。

而在机器人“皮肤”的选材上，亦是可圈可点。

“皮肤” 必须圆周强壮

在材料上，由于该机器人承受的相互作用力和内部压力，比以前的变形机器人要高，因此对 “皮肤” 材料的机械性能有着更严格的要求。

比如，“皮肤” 必须圆周强壮，以便抵抗内部压力的高环应力，为此该团队选用一种定制的双层复合密封织物。

为了增加尖端延伸体的气流，他们设计了一个基于尖端的流动装置。为了改变尖端的流向，该团队使用了一个双喷嘴系统，每个系统都有自己的供风线。只需改变两个喷嘴之间的流量，就可实现对流量方向的大致控制。

研究中，该团队在沙子上进行了 480cm/s 的高速水平穴穴试验，以测量机器人的反作用力和速度结果显示，机器人在 0.08s 内可挖 30cm 深度的沙子。在自然界中，剃刀蛤可以挖 1cm/s，沙鱼蜥蜴可挖 10cm/s，因此该机器人颇具优势。

在演示中，机器人成功地穿越了长约 8 厘米、深度为 60 厘米的沙子，持续向下流速为 140 升 / 分钟，速度为 2cm/s。

正和 NASA 开展项目，将在月球等天体研发挖洞技术

在干燥的颗粒介质中，该机器人已具备表层挖洞的能力。在地球上的潜在应用包括土壤取样、没有沟槽的微创灌溉、电线或地热回路安装、侵蚀控制、搜救和粮仓检查。

另据悉，它还能控制尖端延伸方向，也能调节在沙子中的的牢固程度，故此可用于低重力环境中的应用探索。

或许 NASA 已经意识到了自身不足，其目前已和该团队达成合作，未来将在月球、以及木星、卫星、土卫二等天体上拓展机器人的挖洞能力，实际应用包括火星上的热传感器放置、月球上的火山隧道探索、小行星取样或锚定，以及土星卫星土卫二上的粒状冰探索。

刘清坤也表示，可以预见这种掘地机器人未来在地下搜索和救援、以及在其他星球上土壤采样等领域有重要应用 。

杨溢告诉 DeepTech，这期的《科学・机器人》主要关注在极端环境下工作的机器人（robots in extreme environments），封面的软体机器人算是一种仿生机器人。

他认为，虽然它的驱动方式依然是常见的气压驱动（pneumatic actuation），但是它巧妙使用了气动力，不仅对自身结构进行延伸以达到移动目的，还依靠气动来吹动周围介质来极大减小前进阻力。

谈及该论文登上封面的原因，杨溢分析称，传统机器人研究都是机械工程结合电子工程，多发表在电子工程师协会（IEEE）旗下的会议和期刊。《科学・机器人》是一个比较新的期刊，也就只有几岁，上面的很多论文都是新兴研究。有时新兴研究距离实际应用较远，但是具备潜在的广度或深度。

刘清坤也认为，该期刊偏重于机器人研究的新观念和新原理..... 这些问题大多不能在已有知识和技术领域中单独解决，而是需要多学科交叉、从自然中汲取灵感等。