研究人员（yuán）提（tí）出了（le）新（xīn）的在颗粒介质中挖（wā）掘的动力（lì）学理解，结合关键结果设计出一（yī）款带有尖端（duān）延伸喷气装置的管（guǎn）状（zhuàng）机器人（rén），控制（zhì）地下的相互作（zuò）用力来实现快速、可控的三维挖掘（jué）。

该论文题目为《软体机器人通过控制（zhì）地下力量实现快速（sù）可控挖洞（dòng）（Controlling subterranean forces enablesa fast,steerable,burrowing soft robot）》，于6月16日发表在（zài）《科学·机器（qì）人（rén）》上。

▍软体机器人地下挖掘面临（lín）阻力和升力

机器人非（fēi）常适合在极端环境下使用，如太空、海（hǎi）底或灾难（nán）现场（chǎng）。现（xiàn）在的（de）机器人已经可以上天下海，并且在陆地上进行各种自由活动。然而，机器人运动的一个前沿领域（yù）仍未被（bèi）探索，那就（jiù）是地下。

论文的（de）第一作者（zhě），来（lái）自（zì）加利福尼亚大学（xué）圣塔芭芭（bā）拉分校（xiào）霍（huò）克斯实验室（Hawkes Lab）的研究生尼（ní）古（gǔ）拉斯·纳克莱里奥（Nicholas Naclerio）说（shuō）：“在（zài）地面上让（ràng）机器人运动，最大挑战是（shì）其所涉及到（dào）的各种力，空气和水（shuǐ）对（duì）于穿过它们（men）的物体阻（zǔ）力很小（xiǎo）。但是（shì）进入地下（xià）世界就（jiù）是另一回（huí）事（shì）了。如果（guǒ）你试图（tú）钻进地下（xià），就必须将土（tǔ）壤、沙子或其（qí）他介质推开（kāi）。”

在地下（xià）运动（dòng）很困（kùn）难（nán），部分原（yuán）因是土壤和颗粒介质（zhì）产生的阻力不（bú）仅比空气（qì）或（huò）水（shuǐ）产生的阻力大几个（gè）数量（liàng）级，还存在一种不同类型的升（shēng）力。现有挖掘方法大都依赖于（yú）大型机械（xiè）装置，这些装置具（jù）有坚（jiān）硬而巨大的部件，常用装置（zhì）如螺旋钻机、液压旋（xuán）转钻机、隧道钻机等，有效（xiào）地克服了这些（xiē）力。但是大（dà）型装（zhuāng）置的（de）挖掘（jué）方式并不适合小型、微创机（jī）器人。

适（shì）合机器人的机械挖（wā）掘方式被（bèi）逐（zhú）渐提出，包括螺（luó）杆钻机、往复式钻机、锤击机制等。例如，美国宇航（háng）局（NASA）2018年向（xiàng）火星发射“洞察号（hào）”探测器时，装备了一种挖掘机器人“鼹鼠”，就采用（yòng）了自锤击方式挖洞（dòng），但是受火星土（tǔ）壤（rǎng）性质影响，一直未能成功（gōng）。2021年（nián）1月，相关（guān）工程（chéng）师在最后一次尝（cháng）试后，放弃使用（yòng）“鼹鼠”进（jìn）行火星地底挖掘。可以看出，机器人挖（wā）掘地下还面（miàn）临很（hěn）多挑战。

研究人员从在地下活动（dòng）的植（zhí）物和动物身（shēn）上汲取灵感，开发出了一种快速、可控的软体（tǐ）机器人，这（zhè）款机器人目前成功实现在沙子中挖洞。此项（xiàng）技术（shù）不仅实现机器人在地下进行快速、精确、小范围（wéi）运动，还奠（diàn）定了这类新型机器（qì）人的机械基础。

▍自然（rán）界（jiè）可替（tì）代挖洞思路

自然界在地下生长延伸成（chéng）网络的植物和真菌为研究人员（yuán）提供了许多地下运动的例子（zǐ），而动物则掌握了直接穿过（guò）颗粒介质的能力。佐治亚理（lǐ）工（gōng）学院物（wù）理（lǐ）学（xué）教授丹尼尔·戈德曼（Daniel Goldman）表示，从机械物（wù）理角（jiǎo）度（dù）理解植物（wù）和动（dòng）物如何掌握地下运动能力，为（wéi）科学和技（jì）术开（kāi）辟了（le）许多（duō）可能性。

“研究不（bú）同（tóng）生物体在颗粒介质（zhì）中成功游动（dòng）和挖掘原理得出的发现，可以用来开（kāi）发新（xīn）型机械和机器（qì）人（rén）。”戈德（dé）曼说：“反过来（lái），开发具（jù）有（yǒu）这种能力的机器人可以（yǐ）促进新的动物（wù）研究（jiū），以及颗粒基质物理学中新现象的发现。”

霍克斯（sī）实验室研（yán）究人员设（shè）计（jì）的（de）藤（téng）蔓状软体机（jī）器人就是一个（gè）良（liáng）好的开端，该（gāi）机器（qì）人模仿（fǎng）了植物其他部（bù）分保持静止情（qíng）况下，根部尖端生（shēng）长（zhǎng）运动的方式。根据研究（jiū）人员的说（shuō）法（fǎ），在地（dì）下环境中，尖端生长（zhǎng）保持较（jiào）低的阻力，但仅局限于（yú）生长（zhǎng）端（duān）；如果整个（gè）机器人身体（tǐ）随着“长（zhǎng）大”而移（yí）动，介质表面的摩擦力会随着机器人更多（duō）部分进入沙子而增（zēng）加，直（zhí）到机器人（rén）不再移动（dòng）。

策略1：尖（jiān）端延伸（shēn）

穴居动物启发了另一种称为颗粒流化（huà）的策略（luè），该策（cè）略是将颗粒转化成（chéng）类似悬浮流（liú）体的状态，使动物能（néng）够克服沙子或松散土壤带来的（de）高阻力。例如，章鱼（yú）会（huì）向地下喷射一（yī）股水流，然后用它的（de）触手将自己拉入暂时松动的沙子（zǐ）中。研究人员在机器人上安装了一种基于尖端的流（liú）动装置（zhì），该装置（zhì）将空气喷（pēn）射到尖（jiān）端之前的区域，使机器人（rén）能够进入该（gāi）区域。

纳克莱里奥说：“我们的最大（dà）挑战，也是花费时（shí）间最长（zhǎng）的问题是，当（dāng）机器人切换到在水平方向上挖洞时，它总是（shì）会浮出来。”他解释（shì）道，尽管气体或（huò）液体可（kě）以均匀地在对称物体的上方和下方产生（shēng）流动，但在流化沙中，力的分布（bù）并不平衡（héng），并且对水平运（yùn）动（dòng）的机器人产生了（le）显著的上升力。“将沙子推开，比将其（qí）压实要容易得多。”

为了了解机（jī）器人的运动情况（kuàng）和探（tàn）究空气辅助进入的大部（bù）分未（wèi）知物理特（tè）性，该团（tuán）队测量（liàng）了机器人从水（shuǐ）平方（fāng）向（xiàng）推入（rù）沙子，其尖端实心棒附（fù）近流入的（de）不（bú）同角（jiǎo）度气流导致的阻力和升（shēng）力。

“颗粒材料（liào）中产生的摩擦力与牛顿流体中产生的摩擦力有很（hěn）大不同，由（yóu）于高摩擦（cā）力，机器（qì）人进入沙子，会在运动方向上挤（jǐ）压大片空间。”罗切（qiē）斯特大学的高盛实验室（Goldman’s lab）研究生安德（dé）拉（lā）斯·卡尔赛（Andras Karsai）说（shuō）：“为（wéi）了缓（huǎn）解这种情况，一种将颗（kē）粒物（wù）体提升和（hé）推开的（de）低密度流体通常会（huì）减（jiǎn）少（shǎo）机（jī）器人（rén）必须克服的（de）静摩擦力。”

与气体或液体不同，向下的（de）流体喷射会为移（yí）动（dòng）的物体产（chǎn）生（shēng）升力，而在沙子中，向（xiàng）下的气（qì）流降低了升（shēng）力，机器人实现在延伸出的（de）尖端下方挖洞（dòng）。结合从（cóng）沙（shā）漠蜥蜴那获得的灵感，类似沙漠蜥蜴（yì）楔形（xíng）的（de）头（tóu）部有利（lì）于机器（qì）人向（xiàng）下运动，使（shǐ）研（yán）究人员能够（gòu）调节阻（zǔ）力并保持机器人水平移动而不会从沙子中浮出。

▍气动尖（jiān）端延伸助力机器人快速挖洞

三种机器人挖掘策略效果都（dōu）很（hěn）明显（xiǎn）：

采用尖端（duān）延伸设计可以减少机器人所受阻力（lì）。软体机器人和刚性材料机器人在相（xiàng）同类型的沙子表面向下挖洞时，其前端阻力相（xiàng）同，但软体机器人的（de）接触阻力较少（shǎo）。相（xiàng）比与之前（qián）的InSight HP3探测器在沙子中0.14米每秒的速度（dù），软体机器人在（zài）沙子中（zhōng）的极（jí）限（xiàn）速度是（shì）每（měi）秒480厘米，已经可（kě）以实（shí）现高速（sù）挖洞。

局（jú）部（bù）颗（kē）粒流化减少阻力（lì）。软体机器人（rén）从尖端喷射气流后，降低了穿过干燥沙子（zǐ）的阻力，并且机器（qì）人受到的阻力与进入深度非线性比例（lì）增长，而喷射气体（tǐ）流速增加会导致比例减少（shǎo）。

而（ér）不对称的向下气流可（kě）以控制机器人（rén）受到的升力。在大多数（shù）喷射（shè）气流角度下，增加气流会降低沙子带来的升力。但是比较出乎意（yì）料的是不论气流大（dà）小，在30度（dù）方向喷射气流（liú）角度（dù）时，机器人受到的升力最大。

新（xīn）款软体机器人在长、浅、定向挖洞（dòng）方面有（yǒu）更好的性能。像这样的（de）小型探索性软体（tǐ）机器（qì）人具（jù）有多种应（yīng）用，可（kě）以完成在干燥的颗粒介（jiè）质中进行表（biǎo）层挖洞的任务（wù），例如土壤采样、公用事业的地下安装和防侵蚀控制。机器人控制尖端延伸（shēn）方向并调（diào）节它在介质中锚定（dìng）的牢固（gù）程度，这种（zhǒng）控制（zhì）对（duì）于在（zài）低重力环境（jìng）中（zhōng）的探索非常有用。事实上，该团队（duì）正在与NASA合作开展一个项目，在月球甚至更远（yuǎn）的天体（如木星、卫星、土卫二）上开发挖洞（dòng）技术（shù）。

霍克斯（sī）（Hawkes）说：“我们相信挖（wā）洞有可能为外星应用机器人开（kāi）辟新的途径。”

▍新材料和新控（kòng）制技术让软体机器人有更多可（kě）能（néng）

软体机器人目前的研究涉及新（xīn）材（cái）料（liào）和新控（kòng）制技术，例如最新这款挖洞机器人就是参考自然界的植物、章鱼、沙漠蜥蜴等（děng）钻（zuàn）地挖洞的机制，设计（jì）新（xīn）的（de）控制技术，韩国首尔国立（lì）大学的J.-Y.Sun团队研（yán）究（jiū）了水凝胶这种新（xīn）材料应（yīng）用于（yú）制作软（ruǎn）体机器人组件。

传（chuán）统机器（qì）人（rén）大多是由限制（zhì）弹性变形能力的刚（gāng）性（xìng）材（cái）料（liào）制成。软体机器（qì）人这种新型仿生连（lián）续（xù）体机器人，可以在一定限度（dù）内随意（yì）变化形态，弥补（bǔ）传统机器（qì）人在适应（yīng）多变环境（jìng）上的不足（zú），有望在生物工程、救灾救援、工业生产、医疗服（fú）务、勘探（tàn）勘测等（děng）领域发挥重要作用。