北卡州立尹杰、苏浩团队 Sci. Adv.：物理智能软机器人自发逃离迷宫

2023-09-12 来源：高分子科技

自主逃离迷宫对于软体机器人来说是一个有趣且非常有挑战性的课题。迷宫通常用来衡量与测试机器人对周围环境的处理、计算以及应变能力，一定程度上反应了机器人的智能水平，从而用于探索未知的复杂环境。挑战性在于软体机器人通常需要在其柔软身体上集成动力、传感器和控制等硬件来实现类似人脑的决策以及执行功能。目前软体机器人逃离迷宫往往是通过两种途径来完成：一种是通过人为操作机器人逃离，比如通过远程控制外加磁场或者光源，可以实现无牵引软机器人，但无法让软机器人自我决定运动路径，从而缺乏智能。另一种则是通过机载的电源和控制器来完成。这种方式也有弊端，比如结构以及控制复杂，无法自主求解复杂迷宫等等。

最近，来自美国北卡州立大学的尹杰和苏浩团队提出了一种新的解决思路 - 利用智能材料（液晶弹性体）和独特结构（几何非对称扭带），设计了一款具有物理智能的“无脑”自主逃离迷宫的软体机器人。该机器人可以在环境热源的驱动下，自主逃离各种挑战性迷宫，比如单通道迷宫单元（图1），多通道迷宫（图2）、沙子上的迷宫、狭窄缝隙迷宫（图3），甚至是随时间变化迷宫图案的动态迷宫（图4）。该工作以“Physically intelligent autonomous soft robotic maze escaper”为题近日在线发表于Science Advances杂志上。

与传统的基于处理器计算控制的具备“大脑”的机器人相比，该软体机器人不再需要“大脑”，也就是不需要任何电子设备和计算机控制，可以依靠自身的材料智能 - 液晶弹性体，一种热源或光源响应的活性软材料，与结构智能相结合 - 两端具有扭转和螺旋形状的不对称几何扭带结构，由环境热能来自我驱动滚动与路径抉择。该软体机器人可以与周围环境以及障碍物进行交互式互动与作用，来实现自我感知障碍物，自我避障、以及自我路径选择与决定等功能。

这种软体机器人是基于该团体之前的几何对称设计进行了改进和提高，使得软体机器人具有结构不对称性。纽带状软体机器人两端不对称性赋予了其新增内置主动和持续自转弯能力，同时保有原有设计中碰到障碍物时，自发突跳反向或绕障碍物旋转功能。这两种自发功能的加持使得该软体机器人实现了独特的曲线行走路径，自主转弯以及避障，从而大大增强了逃逸迷宫陷阱的死循环能力，可以轻松逃离各种多通道静态以及动态迷宫，甚至是在沙地上的迷宫等。与之形成鲜明对比的是，对称性软体机器人由于缺乏持续自主转弯能力，导致其甚至会完全陷入最简单的迷宫基本单元 - 由两堵平行墙组成的单通道受限空间，在两堵墙之间来回突跳与滚动而无法逃逸，更不用说更为复杂的多通道迷宫，从而深陷其中无法逃离。

图1：结构对称与非对称扭带状软机器人自主逃逸单通道迷宫单元对比。

图2：软体机器人自主逃逸复杂迷宫

图3：软体机器人穿过狭缝以及逃离具有狭缝的迷宫

图4：软体机器人逃离随时间变化的迷宫

该文章的第一作者为北卡州立大学机械航空系的博士后赵耀。通讯作者是北卡州立大学机械航空系的尹杰副教授和苏浩副教授。文章的其他作者包括博士生洪尧烨、漆方杰、清海涛，以及博士后李艳滨。

原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adi3254

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（责任编辑：xu）

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