加州大學(xué)圣巴巴拉分校和佐治亞理工學(xué)院的研究人員正在探索一個(gè)新領(lǐng)域：一種快速、可控的軟機(jī)器人，可以在地下空間中航行，在沙子中挖洞。該技術(shù)不僅可以實(shí)現(xiàn)地下快速、精確和微創(chuàng)運(yùn)動(dòng)的新應(yīng)用，而且還為新型機(jī)器人奠定了機(jī)械基礎(chǔ)。

　　在地面上移動(dòng)的最大挑戰(zhàn)就是所涉及的力。盡管空氣和水對(duì)穿過它們的物體幾乎沒有阻力，但地下世界是另一回事。

　　如果你試圖穿過地面，你必須將土壤、沙子或其他介質(zhì)推開，幸運(yùn)的是，自然界以植物和真菌的形式提供了許多地下導(dǎo)航的例子，這些植物和真菌構(gòu)建了地下網(wǎng)絡(luò)，而動(dòng)物已經(jīng)掌握了直接通過顆粒介質(zhì)隧道的能力。佐治亞理工學(xué)院 Dunn Family 物理學(xué)教授 Daniel Goldman 表示，對(duì)植物和動(dòng)物如何掌握地下導(dǎo)航的機(jī)械理解為科學(xué)和技術(shù)開辟了許多可能性。

　　發(fā)現(xiàn)不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游泳和挖掘的原理可以導(dǎo)致開發(fā)新型機(jī)制和機(jī)器人，這些機(jī)制和機(jī)器人可以利用這些原理，反過來，具有這種能力的機(jī)器人的開發(fā)可以激發(fā)新的動(dòng)物研究，并指出顆?；|(zhì)物理學(xué)中的新現(xiàn)象。

　　研究人員在霍克斯實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的藤蔓狀軟機(jī)器人取得了良好的開端，該機(jī)器人模仿植物及其從尖端生長的導(dǎo)航方式，而身體的其余部分保持靜止。根據(jù)研究人員的說法，在地下環(huán)境中，尖端延伸保持較低的抵抗力，并且僅局限于生長端;如果整個(gè)身體隨著長大而移動(dòng)，整個(gè)表面的摩擦?xí)S著更多機(jī)器人進(jìn)入沙子而增加，直到機(jī)器人不再移動(dòng)。

　　與此同時(shí)，穴居動(dòng)物啟發(fā)了另一種稱為顆粒流化的策略，該策略將顆粒懸浮在類似流體的狀態(tài)，并使動(dòng)物能夠克服沙子或松散土壤帶來的高阻力。

　　例如，南方沙章魚會(huì)向地下噴射一股水流，然后用它的手臂將自己拉入暫時(shí)松動(dòng)的沙子中。這種能力以一種基于尖端的流動(dòng)裝置的形式進(jìn)入研究人員的機(jī)器人，該裝置將空氣噴射到生長末端之前的區(qū)域，使其能夠進(jìn)入該區(qū)域。

　　我們發(fā)現(xiàn)的最大挑戰(zhàn)也是解決時(shí)間最長的問題是當(dāng)我們切換到水平挖洞時(shí)，我們的機(jī)器人總是會(huì)浮出水面，盡管氣體或液體均勻地流過對(duì)稱物體的上方和下方，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且為水平移動(dòng)的機(jī)器人創(chuàng)造了顯著的升力。將沙子向上推開，比將其壓實(shí)要容易得多。

　　機(jī)器人伸展運(yùn)動(dòng)的視頻，靈感來自根尖的生長。

　　為了了解機(jī)器人的行為和空氣輔助入侵的大部分未探索物理特性，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了阻力和升力測量，這是由于氣流從水平推入沙子的實(shí)心桿的尖端進(jìn)入的不同角度。

　　顆粒材料中的摩擦力響應(yīng)與牛頓流體的摩擦力響應(yīng)大不相同，因?yàn)橛捎诟吣Σ粒秩肷匙訒?huì)在運(yùn)動(dòng)方向上壓實(shí)和擠壓大片地形，為了緩解這種情況，一種將谷物從入侵者手中提升和推開的低密度流體通常會(huì)減少它必須克服的凈摩擦應(yīng)力。

　　與氣體或液體不同，向下的流體噴射會(huì)為移動(dòng)物體產(chǎn)生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，并在機(jī)器人生長的尖端下方挖掘了沙子。結(jié)合沙魚蜥蜴的靈感，沙魚蜥蜴的楔形頭部有利于向下運(yùn)動(dòng)，使研究人員能夠調(diào)節(jié)阻力并保持機(jī)器人水平移動(dòng)而不會(huì)從沙子中升起。

　　像這樣的小型探索性軟機(jī)器人具有多種應(yīng)用，需要在干燥的顆粒介質(zhì)中進(jìn)行淺挖洞，例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和侵蝕控制。尖端延伸可以改變方向，同時(shí)還允許機(jī)器人的身體調(diào)節(jié)它在介質(zhì)中錨定的牢固程度，這種控制對(duì)于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。事實(shí)上，該團(tuán)隊(duì)正在與 NASA 合作開展一個(gè)項(xiàng)目，為月球甚至更遠(yuǎn)的天體(如木星衛(wèi)星土衛(wèi)二)開發(fā)挖洞技術(shù)。

　　挖洞機(jī)器人有可能為外星機(jī)器人開辟新的途徑并實(shí)現(xiàn)新的能力。