挖洞机器人看着自己吹沙的尾巴。功劳:尼古拉斯·纳克莱里奥我们见过机器人腾空而起，潜入水下，在陆地上完成各种动作。现在，加州大学圣巴巴拉分校和佐治亚理工学院的研究人员正在探索一个新的领域:我们脚下的土地。他们从已经进化到在地下空间导航的植物和动物那里获得线索，开发了一种快速、可控的软体机器人，可以在沙子中挖掘。该技术不仅为快速、精确和微创的地下运动提供了新的应用，还为新型机器人奠定了机械基础。加州大学圣巴巴拉分校机械工程教授埃利奥特·霍克斯(Elliot Hawkes)实验室的研究生研究员、发表在《科学机器人学》(Science Robotics)杂志封面上的一篇论文的主要作者尼古拉斯·纳克莱里奥(Nicholas Naclerio)说:“在地面上移动的最大挑战只是涉及的力。他解释说，尽管空气和水对穿过它们的物体几乎没有阻力，但地下世界是另一回事。
“如果你试图在地面上移动，你必须把土壤、沙子或其他介质推开，”Naclerio说。
幸运的是，自然界以植物和真菌的形式提供了许多地下导航的例子，这些植物和真菌构建了地下网络，动物已经掌握了直接通过颗粒介质隧道的能力。佐治亚理工学院邓恩家族物理学教授丹尼尔·古德曼说，对植物和动物是如何掌握海底导航的机械理解为科学和技术开辟了许多可能性。
他说:“发现各种生物在颗粒介质中成功游动和挖掘的原理，可以开发出利用这些原理的新型机制和机器人。“反过来，开发具有这种能力的机器人可以激发新的动物研究，也可以指出颗粒物质物理学中的新现象。”
研究人员首先在霍克斯实验室设计了一个藤蔓状的软机器人，它通过从顶端生长来模仿植物和它们的导航方式，而身体的其他部分保持静止。根据研究人员的说法，在地下环境中，尖端延伸保持较低的阻力，并且仅局限于生长端；如果整个身体随着它的成长而移动，随着更多的机器人进入沙子，整个表面上的摩擦力将会增加，直到机器人不能再移动。
与此同时，穴居动物为一种叫做颗粒流化的额外策略提供了灵感，这种策略将颗粒悬浮在类似流体的状态下，使动物能够克服沙子或松散土壤带来的高阻力。例如，南方的沙章鱼会向地下喷射出一股水流，并用它的手臂将自己拉入暂时松动的沙子中。这种能力以基于尖端的流动装置的形式出现在研究人员的机器人上，该装置将空气喷射到生长端之前的区域，使其能够进入该区域。
Naclerio说:“我们发现的最大挑战，也是解决时间最长的挑战是，当我们转向水平挖掘时，我们的机器人总是会浮出水面。他解释说，尽管气体或液体在移动的对称物体上方和下方均匀流动，但在流态化的沙子中，力的分布并不均衡，这给水平移动的机器人带来了很大的升力。“把沙子推上推下比压实容易得多。”
机器人在煤渣砖墙下挖掘的视频。信用:Spinks等，Sci。机器人。6、eabf4788与气体或液体不同，在气体或液体中，向下的流体射流会为行进的物体产生升力，而在沙子中，向下的气流会降低升力，并挖掘机器人生长尖端下方的沙子。结合沙鱼蜥蜴的灵感，研究人员可以调整阻力，让机器人保持水平移动，而不会从沙子中冒出来。
像这样一个小型、探索性、柔软的机器人有各种各样的应用，在这些应用中，需要在干燥的粒状介质中进行浅挖掘，例如土壤取样、地下设施安装和侵蚀控制。尖端延伸能够改变方向，同时还允许机器人的身体调节它在介质中的锚定程度，这种控制对于低重力环境下的探索可能会很有用。事实上，该团队正在与美国宇航局合作一个项目，为月球或更远的天体开发洞穴，比如木星的卫星恩克拉多斯。
“我们相信挖掘有潜力为外星机器人开辟新的途径和新的能力，”霍克斯说。
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