類似水母的機器人有朝一日可以清理世界的海洋

【導讀】：馬克斯普朗克智能系統研究所的機器人專家開發了一種受水母啟發的水下機器人，他們希望有一天能從海底收集廢物。幾乎無噪音的原型可以在沒有物理接觸的情況下將物體困在身體下方，從而在珊瑚礁等脆弱環境中實現安全交互。水母機器人可能成為環境修復的重要工具。

水母機器人收集廢物顆粒。

世界大部分地區都被海洋覆蓋，不幸的是，海洋受到高度污染。打擊在這些非常敏感的生態系統中發現的廢物堆的策略之一 - 特別是在珊瑚礁周圍 - 是使用機器人來掌握清理。然而，現有的水下機器人大多體積龐大，具有剛體，無法在復雜和非結構化的環境中進行探索和采樣，并且由于電動機或液壓泵而產生噪音。

為了獲得更合適的設計，斯圖加特馬克斯普朗克智能系統研究所（MPI-IS）的科學家們從大自然中尋找靈感。他們配置了一個受水母啟發、多功能、節能且幾乎無噪音的手大小機器人。Jellyfish-Bot是MPI-IS物理智能和機器人材料部門之間的合作。“用于有效水下推進和操縱的多功能水母狀機器人平臺”發表在《Science Advances》上。

為了制造機器人，該團隊使用了電液執行器，電流通過該執行器流動。執行器充當為機器人提供動力的人造肌肉。圍繞這些肌肉的是氣墊以及柔軟和剛性的組件，這些組件可以穩定機器人并使其防水。這樣，通過執行器的高壓就不能接觸周圍的水。

機器人由幾層組成：一些使機器人變硬，另一些用于保持其漂浮或絕緣。另一個聚合物層用作浮動蒙皮。稱為HASEL的電動人造肌肉嵌入到不同層的中間。HASEL是液體電介質填充的塑料袋，部分被電極覆蓋。在電極上施加高電壓使其帶正電荷，而周圍的水則帶負電荷。這會在帶正電的電極和帶負電的水之間產生力，將袋子內的油來回推，導致袋子收縮和放松——類似于真正的肌肉。HASEL可以承受帶電電極產生的高電應力，并通過絕緣層防止水。這一點很重要，因為HASEL肌肉以前從未用于制造水下機器人。

電源周期性地通過細線供電，使肌肉收縮和擴張。這使得機器人能夠優雅地游泳，并在其身體下方產生漩渦。

“當水母向上游動時，它可以沿著它的路徑捕獲物體，因為它在身體周圍產生水流。這樣，它還可以收集營養。我們的機器人也在它周圍循環水。此功能在收集廢物顆粒等物體時很有用。然后，它可以將垃圾運送到地表，然后可以在那里回收利用。它還能夠收集脆弱的生物樣本，如魚卵。同時，對周圍環境沒有負面影響。與水生物種的互動是溫和的，幾乎沒有噪音，“王天祿解釋說。

他的合著者，來自機器人材料部門的Hyeong-Joon Joo繼續說道：“估計70%的海洋垃圾會沉入海底。塑料占這些垃圾的60%以上，需要數百年才能降解。因此，我們看到迫切需要開發一種機器人來操縱垃圾等物體并將其向上運輸。我們希望水下機器人有一天可以幫助清理我們的海洋。

水母機器人能夠在沒有身體接觸的情況下移動和誘捕物體，單獨操作或與幾個組合操作。每個機器人的工作速度都比其他同類發明快，速度高達6.1厘米/秒。此外，水母機器人只需要大約 100 mW 的低輸入功率。

如果有一天將機器人絕緣的高分子材料撕裂，對人類和魚類都是安全的。同時，機器人的噪音無法與背景水平區分開來。通過這種方式，水母機器人與環境溫和地互動而不會干擾它——就像它的自然對應物一樣。

研究的第一步是開發一個電極和六個手指或手臂的水母機器人。在第二步中，該團隊將單個電極分成單獨的組以獨立驅動它們。

“我們通過使四個臂用作螺旋槳，另外兩個用作抓手來實現抓取物體。或者我們只驅動手臂的一個子集，以便將機器人轉向不同的方向。我們還研究了如何操作一個由多個機器人組成的集體。例如，我們拿了兩個機器人，讓它們拿起一個面具，這對于一個機器人來說是非常困難的。兩個機器人也可以合作搬運重物。然而，在這一點上，我們的水母機器人需要一根電線。如果我們真的想有一天在海洋中使用它，這是一個缺點，“Hyeong-Joon Joo說。

也許為機器人提供動力的電線很快就會成為過去。“我們的目標是開發無線機器人。幸運的是，我們已經朝著這個目標邁出了第一步。我們已經整合了所有功能模塊，如電池和無線通信部件，以便將來進行無線操作，“王天祿繼續說道。

該團隊在機器人頂部安裝了一個浮力單元，在底部安裝了電池和微控制器。然后，他們帶著他們的發明在馬克斯·普朗克斯圖加特校區的池塘里游泳，并成功地引導它。然而，到目前為止，他們無法指示無線機器人改變航向并向另一個方向游泳。了解團隊，實現這一目標不會花費很長時間。