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不用电路控制的机器人!加州大学开发出气动逻辑系统机器人

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量子位 2021-08-02 12:56

  • 明敏 发自 凹非寺
    量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“脑袋”里只有空气,就能弹奏出8小节的乐章。

这个软体机器手弹钢琴,核心居然全靠空气驱动。

最近,加州大学河滨分校的学者们开发出了一个气动随机存取存储器 (RAM),并成功用它操纵软体机器人演奏了一首曲子。

气流阀取代电子晶体管,用气动逻辑取代计算机逻辑,研究人员成功让这个机器人摆脱了传统机电元件的控制系统。

连接其“手”、“脑”的也不再是电线,变成了透明的气流管道。

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它们一端连接着气动RAM,另一端连接着机器人的手指。

通过改变管道内的气压,就能控制机器人手指按下琴键。

从单个音符、和弦到演奏一整首曲子,这个机器人都能分分钟拿下。

而这都还只是气动RAM小试牛刀罢了。

据研究人员介绍,一个10位的气动RAM,就能实现900个独立执行器能完成的任务。

这有效解决了目前很多气动机器人依旧使用机电结构的困境。

而且它的体积更小、重量更轻,能够大幅降低气动软体机器人的成本、尺寸和功率需求。

要知道,充气软体机器人的使用前景是非常广阔的。

由于其柔软性、安全性更高,在执行精细任务上比传统刚性机器人具备更大优势。

比如人畜无害的大白(●—●),就是一个非常典型的充气机器人。

这无疑打破了软体机器人在使用场景上的许多局限性,目前该研究已在开放性期刊《PLOS One》上发表。

气动RAM操控更多通路

想要用气体让机器人弹奏出音乐,主要依靠两个部分:气动RAM单片隔膜阀

气动RAM其实是一个用微流控阀代替晶体管的随机存取存储器。

能够实现记忆、维持机器人执行器状态,主要靠的就是这个微流控阀,

它最初是被用在微流控芯片上控制液体流动,这些阀门能够在气流供应断开时,仍旧保持压力差存在。

而且这些阀门还可以组成复杂的密集阵列,来执行很多高级操作。

比如在这个弹钢琴的软体机器人身上,研究人员制作了一个八位的非易失性RAM。

与传统电路中单个通路控制单个执行器不同,使用气动RAM可以用n个通路控制2的n-1次方个执行器。

也就是说,同样4个通路的情况下,气动RAM可以控制8个机械手指的独立性操作。

那么机械手指是如何弯曲并敲下琴键的呢?

这时就需要气流登场了。

气动RAM所控制的单个通路上,都有一个隔膜阀

它主要由输入通道、输出通道和控制通道组成,中间有一个可移动的硅膜。

通过改变控制通道中的气压,让硅膜移动,从而控制气阀中气流的流动。

当控制通道为真空状态时,硅膜就会被拉入控制通道,与此同时输入-输出通道打开,气流通过。这就表示为信号“1”,机械手指此时会弯曲。

当控制通道中有气压时,硅膜堵死整个通道,此时表示信号“0”,手指则为舒展状态。

考虑到传统单片隔膜阀的气流速度不够高,大型或移动速度快的机器人无法使用,研究人员还对此进行了改进。

他们使用了多个规格相同的输入、输出通道,一方面消除了产生意外通路的可能,另一方面提高了气流通过速度。

通过改变不同通道内的气压,研究人员可以机器人在钢琴上演奏出音符、和弦,甚至是一整首歌曲。

值得一提的是,这个机器人的整套系统中,只有抽取真空的泵是用了电池的,其他部分没有任何机电硬件,安全性很高。

而且一个10位的气动RAM就能包含2046个通路,每个阀门的面积仅为7平方毫米,这使得一个10位的气动RAM差不多只有一个智能手机屏幕那么大。

由于其安全、轻便的特性,将来可用于低龄残障儿童的可穿戴设备上。

One More Thing

值得一提的是,今年2月加州大学圣地亚哥分校的研究人员们也研发出了一款无电子元件、由气体驱动的软体机器人,并登上《Science Robotics》的封面。

这个机器人的每条腿都由3条可伸缩的充气橡皮管制造而成,四条腿呈X形相连,通过充气或漏气的设计就能走起路来。

与机电组件组成的机器人比起来,轻便不少。

它的核心其是一种由软阀设计的环形振荡器。

而今年6月,一个充气挖掘机器人也登上《Science Robotics》封面。

看来,气体软体机器人真的是一个热门研究领域啊!

说不定,有朝一日我们真的能看到现实版的“大白”呢~

参考链接:
[1]https://news.ucr.edu/articles/2021/07/16/air-powered-computer-memory-helps-soft-robot-control-movements
[2]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0254524
[3]https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eaay2627

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