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Squishy机器人手指有助于深海探索

在2014年关于探索深海珊瑚礁的演讲中,巴鲁克学院的海洋生物学家大卫格鲁伯展示了一个笨重的机器人手的视频,收集了来自海底的珊瑚和海绵的脆弱标本。哈佛工程师和机器人专家罗伯特·伍德(Robert J. Wood)在观众席上 - 这两位科学家被国家地理学会认定为新兴探险家 - 并且一个灯泡熄灭了。

伍德回忆说:“他们正在使用刚刚为石油和天然气行业设计的生命型夹钳,它们完全被制服并且正在摧毁物品。” “它立即点击说有一个可行的软机器人解决方案。”

在接下来的几个月里,他们合作设计,制造和测试软机器人夹具,用于深海收集脆弱的生物标本。他们最近前往红海北部的埃拉特湾,这是一个独特的海洋生态系统,拥有世界上最大和最多样化的珊瑚礁之一,标志着首次使用软机器人对海底动物群进行非破坏性采样。

这项新技术可以提高研究人员从海洋表面数千英尺的大部分未开发的栖息地采集样本的能力,科学家们认为这些地区充满了未知生命的生物多样性热点。软夹具也可用于水下考古。

正如今天发表在Soft Robotics期刊上的一篇论文所述,该团队成功开发了两种类型的夹具,并在此过程中展示了一种新的制造技术,可以快速创建软驱动器。

Gruber是纽约城市大学巴鲁克学院生物与环境科学副教授,也是美国自然历史博物馆的研究员,他研究深海生态系统,特别关注具有生物发光和生物荧光特性的生物。(生物发光动物产生自己的光;生物荧光动物吸收光并以不同的颜色重新发射。)

当他想要访问人类潜水员可以承受的最大深度以下的珊瑚礁时,Gruber必须依靠远程操作的车辆(ROV)。但是有一个问题:水下ROV的标准问题机器人“手”不适合收集精致的珊瑚,海绵和其他样品。这是因为该设备是为海底建筑而设计的,用于安装和修理水下管道。

操纵和抓住海底脆弱的生物体需要能够模仿人类潜水员手的灵活性和柔软触感。伍德,查尔斯河哈佛大学工程与应用科学教授John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和哈佛大学Wyss生物启发工程研究所的核心教员,认识到软机器人是定制的为任务而做。

设计,制作和抓蔬菜

Wood和Wyss Institute的机械工程师Kevin Galloway着手设计两种类型的手来取代ROV的工厂配备的金属夹具,每个都能够轻柔地回收不同尺寸和形状的物体。其中一个受到蟒蛇的卷绕动作的启发,可以进入狭小的空间并抓住小而不规则形状的物体。另一种是波纹管式的模型,具有相对的弯曲执行器对。

为了促进快速的现场修改和维修,该团队强调简单的结构,廉价的材料和模块化设计。这意味着他们可以尝试多种配置并大量生产。哈佛大学技术开发办公室已就该团队制造波纹管式软驱动器的方法提交了专利申请。该方法是可扩展的,为这种类型的致动器开辟了广泛的商业,生物医学和工业应用。

伍德表示,最大的设计挑战是缺乏精确的规格。他们没有设计一个机械臂来重复地将门连接到汽车装配厂的车身上。该团队无法知道他们将在海底采样的物体的大小,形状或刚度。为了接近可能的标本,他们参观了农产品过道并带回了各种各样的蔬菜 - 芹菜,萝卜,胡萝卜和白菜 - 将它们绑在金属格栅上,然后将它们放入罗德岛大学的试验罐中。经过详尽的坦克测试后,这些设备在距离罗德岛海岸800米以外的深处进行了调整。

2015年5月,现场测试将该团队带到了位于红海北部以色列的埃拉特湾。他们在那里进行了十几次潜水,范围从100到170米(558英尺 - 或者像华盛顿纪念碑一样高)。大多数潜水涉及“捕获和释放”动作以测试系统性能。但他们确实操纵了夹子来取回精致(和相对丰富的)红色软珊瑚的样品,以及难以捕捉的珊瑚鞭子,将它们带到ROV的货盘中完好无损的表面。

下一步

简单地收集难以收获的样品并不是最终的游戏。研究人员喜欢Gruber希望应用这些技术进行生物的原位测量,最终进行基因表达和转录组学分析。在海床地板上进行这项工作而不是将样品带到地面,意味着生物体不会受到温度,压力和光线变化的压力,并且对珊瑚礁系统的干扰较小。

在机器人方面,伍德有一个他希望追求的性能增强列表。当前的ROV完全依赖于视觉反馈 - 来自车载摄像头的实时视频 - 但他希望增加触觉反馈,将他的实验室专业知识应用于软传感器,让操作员真正“感受”抓手是什么接触。他也有兴趣尝试双臂而不是单臂操作来提高灵活性。最后,团队希望更深入 - 从字面上看。在红海潜水期间,该系统的运行深度低于200米。他们设想在地表以下6000米的未开发的世界中进行实地工作。

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