WPI研究人員開發(fā)用于搜救行動的3D打印機器人

2023年8月16日，南極熊獲悉，美國伍斯特理工學(xué)院（WPI）的研究員Markus Nemitz獲得了美國國家科學(xué)基金會頒發(fā)的59.9萬美元（約為436萬人民幣）職業(yè)獎，旨在開發(fā)一種新型低成本、可定制的3D打印軟機器人，這些機器人可應(yīng)用于具有挑戰(zhàn)性環(huán)境的搜救行動。另外，該項目有望應(yīng)用于太空探索、氣候監(jiān)測和敵對環(huán)境中的檢查操作等其它領(lǐng)域。

△Markus Nemitz展示軟體機器人原型

開發(fā)者的初心

軟體機器人采用高度可塑性材料制造，能夠?qū)崿F(xiàn)類似于傳統(tǒng)機器人難以模仿的生物體靈活運動，使其特別適用于搜索和救援任務(wù)。這些任務(wù)可能需要機器人在封閉空間中游泳、爬行、攀爬和潛水。

△針對該救援事件后期拍攝的紀(jì)錄片海報

Nemitz的研究重點是開發(fā)集成流體回路的小型靈活3D打印機器人，能夠快速生產(chǎn)和定制，以應(yīng)對特定的災(zāi)難條件。這些機器人將在模擬泰國Tham Luang（睡美人）洞穴部分區(qū)域的微型模型中進行測試，該洞穴在2018年被洪水困住，12名青少年足球運動員和教練被困其中。

該研究項目于8月1日啟動，預(yù)計將持續(xù)到2028年7月31日。

WPI機器人工程系助理教授Nemitz評論道：“災(zāi)難往往需要獨特、專業(yè)的應(yīng)對措施，就像睡美人洞穴危機所需的那樣。開發(fā)由柔軟、靈活的材料快速制造的小型機器人具有巨大的潛力，它們能夠探索人類難以進入的潛在危險區(qū)域，包括地震遺址、洪水泛濫區(qū)甚至核事故現(xiàn)場，從而極大地助力救援工作�！�

△該名獲獎研究員Markus Nemitz

開發(fā)3D打印搜救機器人

在這個項目中，Nemitz致力于開發(fā)機器人設(shè)計和制造的創(chuàng)新原則，將機械智能、3D打印流體電路和柔性電子器件相融合。

機械智能利用機器人的幾何形狀和材料特性來適應(yīng)意外條件，從而顯著降低機器人所需的計算能力。

△早在2017年，WPI研究人員開發(fā)的一款蛇形軟體機器人，從右向左看，一個柔軟、可壓縮的致動器；兩個致動器放在一起，使得蛇形機器人能夠側(cè)向移動；一個帶有三個致動器的模塊，使機器人還能夠抬起頭部；一個帶有電子設(shè)備的完整模塊

流體電路則通過在機器人內(nèi)部的靈活通道中引導(dǎo)流體運動，將外部刺激信號轉(zhuǎn)化為控制機器人功能的命令。這些電路可以直接嵌入到機器人的身體內(nèi)，在彎曲或扭曲時仍能保持功能。Nemetz的目標(biāo)是開發(fā)具有集成流體狀態(tài)機的3D打印機器人，該狀態(tài)機能夠響應(yīng)流體傳感器并控制流體執(zhí)行器。因此，該項目將致力于開發(fā)一種新型的互補流體門和電流體存儲元件。

此外，項目還將采用高度動態(tài)變形耐受性的柔性、可拉伸電子器件。柔性電子電路和電流體互連將使用導(dǎo)電墨水和彈性體集成到機器人中。機器人內(nèi)的電子設(shè)備將僅用于選擇流體功能、激活流體傳感器功能以及將程序?qū)懭肓黧w存儲器。

商業(yè)3D打印機和彈性纖維將用于制造這些機器人。為確保可行性，Nemitz將評估設(shè)計和3D打印機器人所需的時間。此外，還將評估機器人在實驗室模型洞穴系統(tǒng)內(nèi)達到指定目標(biāo)的能力。

△WPI擁有機器人工程學(xué)士學(xué)位和相關(guān)研究生課程，處于機器人教育和研究的前沿

Nemitz解釋道：“這些機器人配備了麥克風(fēng)和攝像頭等傳感器，將增強救援人員的能力，特別是在自然災(zāi)害時。為了確保能夠在緊急情況下做出快速、動態(tài)的響應(yīng)，我們必須不斷創(chuàng)新和開發(fā)新技術(shù)。機器人技術(shù)正處于這一發(fā)展的前沿。”

作為項目的一部分，Nemitz還將為伍斯特縣的女高中生舉辦機器人實踐夏令營。這與WPI推出新的3D打印機器人本科課程的計劃相一致。