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艾德思:机器血液登上Nature一条假鱼竟能靠它一口气游36小时

论文润色 | 2019/06/24 10:45:00  | 255 次浏览

 近日,依靠"血液'驱动的机器鱼登上了Nature杂志和官网.这条机器鱼,不依靠固体电池,靠"血液'系统提供能量,一口气36小时,大约是没有人工"血液'的同类机器鱼的8倍.

 

它的血液,不是普通的液压液,最大的差别就在于:它不止能传递力,还能传递电能.

 

诀窍就在于,这条机器鱼的"血液'里,含有三碘化物.当"血液'流过鱼的腹部/尾巴/各种有鱼鳍的地方时,这些位置都装有泵,也都有电池组的结构,电池组里有锌.血液经过电池组,碘离子会把锌氧化.这个过程中,电子流动起来,产生了一个电压.电子会流过为泵供能的电子元件,泵一开始工作,鱼鳍便可以动起来了.

 

这项研究最大的意义,是为机器人的一个核心难题——储能,提供了一个解决思路.

 

储能一直是机器人实现自动化的"拦路虎'之一.通常情况下,机器人都使用固体电池,集中在一块特定的材料之中.想要拥有更强的能源动力,最直接的办法就是增加更多电池.但固体电池的增加,必然导致机器人重量失衡,从而需要对机器人重新设计,才能保持平衡与性能.

 

为了解决这个问题,已经有了不少研究.比如,柔性电池,不限于形状,能放到机器人的表面使用;还有结构电池,能同时作为机器的承重构件和储能元件.

 

现在,这项"血液'动力机器人的研究使用携带电能的液压流体,将机器人的储能装置和动力传输介质合为一体,一方面有助于攻克这一难题,也为机器人研究开辟一个新的方向.

 

这种"血液'循环模式的构造,也能够更好地将机器人的各个部分,如控制系统/感知系统/动力系统等紧密结合起来,使机器人成了一个有机的整体.这样,就更像一个有血有肉的生物了.

 

机器人能拥有血液系统吗?

 

可以,而且还能像生物的血液系统一样,为机器的各个组件传递能量.

 

这条机器鱼,不依靠固体电池,靠"血液'系统提供能量,一口气能游36小时.

 

实现这一壮举的,是来自康奈尔大学和宾夕法尼亚大学的研究人员.

 

他们的这一研究成果,不仅登上了最新一期的Nature,也成了Nature网站的焦点报道.

 

这一研究成果发表之后,Twitter上甚至有人爆发了赞叹的粗口:

 

那么,这到底是怎样的血液?

1

机器鱼的血

如果是生命体的话,脂肪就是很好的能源了.但机器人呢?

 

机器人可能不太用得上脂肪,不过血液是能模拟出来.就像人类的血液,可以为肌肉输送氧气和能量那样.

 

给机器鱼也造出一个血液系统,往各个部位的鱼鳍上传送能量就好了.

 

它的血液,不是普通的液压液,最大的差别就在于:不止能传递力,还能传递电能.

 

流过腹部,流过尾巴,流过各种有鱼鳍的地方.这些位置都有泵,也都有电池组的结构,电池组里有锌.

 

血液经过电池组,碘离子会把锌氧化.这个过程中,电子流动起来,产生了一个电压.

 

电子会流过为泵供能的电子元件,泵一开始工作,鱼鳍便可以动起来了.

 

另外,虽然不是普通的液压液,机器鱼的血也依然有作为液压液的修养,完成力的传递.

 

比如,鱼要向前游,靠的是尾鳍:把血从尾巴的一侧泵到另一侧,再泵回去.如此往复,鱼便获得了向前的动力.负责转弯的胸鳍,也是同理.

 

鱼自在游走的时候,血液里的离子会不断消耗,所以依然会没电.

 

不过根据研究团队的测算,每次输血可以续航36小时.

 

由于把液压传动和能量储存,集成到了同一个装置里,这条鱼的功率密度,达到了传统液压系统 (电池和液压装置分开) 的325%.

 

如果没电了,只要再输一次血,鱼就可以恢复元气.

 

 

虽然,现在鱼游得还很慢,但研究人员对增加它的功率密度,还是十分有信心的.

 

现在,团队正在靠增加电池组阳极和阴极的表面积,来提升功率密度.

 

他们说,这又不像传统的硬体机器人,软体机器人的电池组可以塞到任何地方,只要让外形去适应新加的部件就可以了.

2

攻克储能难题

正如研究团队和一些网友评论的那样,这项研究最大的意义,是 为机器人的一个核心难题——储能,提供了一个解决思路.

 

储能,是机器人实现自动化的"拦路虎'之一.通常情况下,机器人都使用固体电池,集中在一块特定的材料之中.

 

想要获得更强的能源动力?最直接的办法就是增加更多电池.但 固体电池的增加,必然导致机器人重量失衡,从而需要对机器人重新设计,才能保持平衡与性能.

 

为了解决这个问题,已经有了不少研究.比如,柔性电池,不限于形状,能放到机器人的表面使用;还有结构电池,能同时作为机器的承重构件和储能元件.

 

现在,康奈尔大学使用携带电能的液压流体,将机器人的储能装置和动力传输介质合为一体,一方面有助于攻克这一难题,也为机器人研究开辟一个新的方向.

 

除此之外,这种"血液'循环模式的构造,也能够更好地将机器人的各个部分,如控制系统/感知系统/动力系统等紧密结合起来,使机器人成了一个有机的整体.

 

这样,更像一个有血有肉的生物了.

 

有一天,特斯拉会不会无需充电,直接输血就行了?

 

3

输血背后

 

这一研究的核心作者,来自康奈尔大学Organic Robots Laboratory.

 

实验室的负责人为Robert F. Shepherd,康奈尔大学助理教授,也是这一研究的通讯作者.

 

2010年,Shepherd博士毕业于伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校.研究方向为3D打印/软体机器人等,致力于让机器更高效/更逼真.

 

这一实验室成立以来,已经制造了不少软体机器人,截止2018年,发表了53篇研究成果,刊登在Science及子刊/Nature及子刊的就有十多篇.

 

第一作者是Cameron A. Aubin,本科毕业于杜克大学, 目前在康奈尔大学Organic Robots Laboratory攻读博士学位,研究方向为软体机器人/3D打印和医疗设备设计.

 

他们在文章中表示,关于这次研究的代码和数据,只要需求合理都可以发邮件找他们要.

 

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