PNAS: 能走迷宫能翻沙丘的自主智能扭转软体机器人

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1948年英国神经生物学家威廉·沃尔特发明了第一代自主机械电子机器人。该移动机器人可以利用简单的光或触摸传感器来控制电机，充当神经元大脑，从而感知和避开障碍物。近年来，基于活性软材料的无线软体机器人，吸引了研究者们的广泛关注。比如液晶弹性体与磁性弹性体软机器人可在外界光照或磁场的驱动与控制下，实现各种复杂运动。但因受制于外场控制使得其移动缺乏自主性。如何在没有外界控制与人为干涉情况下，给软体机器人赋予自主性与智能性是一个极具挑战性的难题。

近日，北卡州立大学尹杰与宾夕法尼亚大学杨澍团队给出了这个开放性问题的一个答案。受自然界与日常生活中螺旋状物体比如植物藤蔓与意大利螺丝粉等的启发，该团队将热响应活性材料液晶弹性体与纽带状结构相结合，构建了一种基于物理智能的新型自主智能滚动软体机器人。

不同于基于大脑运算的生物智能，物理智能将材料智能与机械结构智能相结合，来实现自我感知、驱动、控制、调节、以及自我决策等高等能力。

该扭转软体机器人可以自主地和周围环境进行交互式响应，来自我调节与适应在不同障碍物环境下以及不同地形下的自主智能移动。比如，可以从自然热环境中获取能量来自我驱动；当触碰到障碍物时，可以通过协调其柔软身体的变形自发旋转（self-turning）与突跳（self-snapping）来自我越障与智能避障，从而实现自主逃离简单迷宫状密室与狭小空间的初等智能；也可以在极易打滑的柔软沙子和细石子路上如履平地等。

北京时间2022年5月24日，论文以“Twisting for soft intelligent autonomous robot in unstructured environments”为题在线发表在 PNAS 上。论文第一作者为团队博士后赵耀，其它作者有博士生赤银鼎、洪尧烨、和李艳滨，以及宾夕法尼亚材料科学与工程系系主任Joseph Bordogna教授杨澍，通讯作者为尹杰。

温度响应自发滚动扭转液晶弹性体

在液晶溶胶固化与聚合反应过程中，通过拉伸与扭转，可以在液晶弹性体内部生成螺旋状扭转液晶基元取向，从而生成纽带状液晶弹性体。将其放置于热表面上时，身体底部与顶部的温差导致纽带轻微弯曲成弓形，驱动自发连续地向前滚动（图1A-F），且滚动方向可以人为调节（视频1）。热表面温度越高，滚动越快（图1G）。驱动持续滚动的最低温度为55摄氏度，最高为200摄氏度。继续升温会导致螺旋消失，纽带变成平面条带，无法继续向前自发滚动。

图1：温度响应下纽带状液晶弹性体的自发滚动

为了测试从自然环境中获取能量的能力，该团队将其放置于阳光照射下的车顶上，虽然环境温度只有27摄氏度，但车顶表面温度可高达大约80摄氏度，足以驱动其在车顶上的自发连续滚动（图1H，视频2）。同样地放置于网格状的烧烤架上时，也可观察到自发持续的滚动（视频3）。

视频1：热表面上自发滚动与人为转向

视频2：在车顶上自发滚动

视频3：在烧烤架上自发滚动

沙地里行走如履平地

该团队进一步测试了该扭转软体机器人在更具挑战性的松散沙地里的行走能力。由于细沙的流动性，让机器人在沙地行走并非易事，需要有效地防止打滑以及下沉。

为了模拟沙漠高温干燥的极端情况，团队将松散细沙表面温度加热至100摄氏度，发现该扭转软体机器人可以轻松地在不同沙漠地形上行走如履平地（图2，视频4）：比如可以爬15度的沙丘，也可以跨越高低起伏的沙地，甚至当部分身体被人为添加的细沙掩埋时，也可以通过自身转动来抖落身上的沙子从而顺利逃脱掩埋，以及穿过细石子路等。由于加热导致其身体变透明，也可以实现在沙子与细石子背景下的“隐身”功能。

图2. 自主穿越各种松散沙地与石子地形

尽管自身重量很轻，仅0.36克，在翻越沙地过程中，可以清晰地看见像刀片一样的螺旋状齿轮留下的齿痕，这些尖齿可以很好地帮助其抓住沙地，防止打滑，从而提高行走的抓地力。 

视频4：自主穿越松散沙地与石子路

通过自发突跳（snapping）来智能避障

当该扭转软体机器人在移动中遇到障碍物时，比如一个小玻璃瓶，可以自发通过柔软身体与障碍物的动态接触与接触点的调整，来实现智能避障与越障。

视频5：遇到障碍物突跳

在动态接触中，身体形状会发生一系列的变化（图3A，视频5）：从初始的稳态浅弓形，变成非稳态M形，继续转变成非稳态S形，同时伴随着解螺旋的过程来存储更多的应变能。当存储的能量达到一个阈值，身体会迅速在125毫秒内快速突跳到反向的深弓形来释放能量，从而背离障碍物继续自发滚动，身体恢复到初始的浅弓形。简化的理论模型显示，从浅弓形到S形再到反向的深弓形，其应变能的比值为1:19:5，表明S形具有最高态能量也对应着不稳定态。与之对应的有限元模拟可以很好地复现实验中观察的突跳现象。研究显示突跳的发生与障碍物的尺寸与形状关系并不大。

图3. 与障碍物接触的自发突跳以及突跳与旋转相图

该团队进一步研究了在遇到路障时发生突跳与绕障碍物旋转的相图（图3B）。当初始触碰点靠近身体的正中间位置时，越容易发生突跳；反之，越靠近两端时，越容易发生绕障碍物的自我旋转左转或右转弯。研究显示，在中心1/3身长内，突跳行为会主导，但在两端1/5身长内，旋转行为会主导，中间区域为混合区与过渡区，突跳与旋转都有可能发生。

自发突跳的现象在多点接触与软接触时也可以观察到，比如将其置于两堵平行墙之间，可以实现来回突跳与无限往返运动（图3C）；当两个软体机器人相向而行时，经过25秒的接触与相互作用，可以迅速在1秒内发生突跳来改变前进的方向，从而同向而行（图3D，视频6）。

视频6：两个软体机器人相遇并同行

自主智能逃离迷宫状障碍物限制空间

利用自发突跳反向与旋转转向的物理智能，该团队进一步展示了其在没有外界控制与人为干涉情况下，通过接触来感知与避开障碍物，自主成功逃离一系列从简单到复杂的受限空间的能力，显示了其初等的“智能”。

比如将其放置于狭小的两堵V字形墙之间，可以通过多次突跳来自主成功逃离（图4A）。当增加受限空间难度，比如带有一个中心岛（图4B，视频7）或多个子空间的简单迷宫状障碍物空间时（视频8），将其任意放置于远离出口位置，该软体机器人可以通过多次旋转与突跳成功地自主穿越障碍物环境。

图4. 自主智能逃离受限空间

视频7：自主逃离迷宫状密室1

视频8：自主逃离迷宫状密室2

取决于放置位置以及随后突跳的次数，自主穿越一个简单的迷宫状障碍物空间所用时间与运行轨迹大相径庭，需要7到35分钟不等（图5）。

图5. 不同起始位置对应不同穿越路径与时长

展望

通过将材料智能与结构智能相结合，研究者为自主智能软体机器人提供了一个新的设计理念。该策略并不局限于液晶弹性体与扭转结构，也可以推广到其它活性软材料与机械结构，其普适性需要进一步的研究与论证。在简单迷宫状限制空间里，软体机器人可能会在两堵平行墙之间无限徘徊，从而无法逃逸，如何解决这些问题以便逃离更复杂的迷宫还待进一步的研究。该研究有望潜在应用于极端环境下开放式地表环境监测，比如滚烫路面、沙漠与高温表面等。

文章信息：

Y. Zhao, Y. Chi, Y. Hong, Y. Li, S. Yang, J. Yin, “Twisting for soft intelligent autonomous robot in unstructured environments”, PNAS, 119, e2200265119, (2022), https://doi.org/10.1073/pnas.2200265119  

团队介绍：

尹杰团队目前致力于剪纸机械超材料、软体机器人、以及多功能形变材料的研究。近期成果包括活性剪纸 (Adv. Mater., 1604262, 2017; PNAS, 116, 26407, 2019）与无损伤剪纸机械手（Nat.Commun.13,530,2022）、三维立体模块剪纸(Adv. Funct. Mater., 2105461, 2021; Mater. Today Phys., 100511, 2021)、以及水陆两栖攀爬软机器人(Soft Robot., 5, 592, 2018)与高速奔跑软机器人(Sci. Adv., eaaz6912, 2020)等。

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