不到90秒輕松玩過第一關(guān),這款3D打印軟體機(jī)器手,竟是超級馬里奧的高級玩家
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學(xué)術(shù)頭條
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該團(tuán)隊(duì)正在嘗試和探索將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,比如康復(fù)設(shè)備、手術(shù)工具和可定制假肢等。
文丨學(xué)術(shù)頭條,作者丨吳婷婷,編審丨寇建超
作為闖關(guān)小游戲的鼻祖,任天堂的超級馬里奧系列游戲經(jīng)久不衰,可謂是老少皆宜、承載著童年回憶的經(jīng)典存在了。任天堂推出這款游戲時,也可能想到了它會在人類中風(fēng)靡,不過他們一定沒想到,有一天,它甚至被機(jī)器人玩起來了。
究竟是怎么回事呢?
近日,來自馬里蘭大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)及其合作者使用 3D 打印技術(shù)做出了一只軟體機(jī)器手,它基于流體晶體管技術(shù),不僅易制造、易操控,還非常靈活,靈活到可以通關(guān)超級馬里奧的程度了
在演示中,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個集成流體回路,設(shè)定程序的引導(dǎo)會使其自動在關(guān)閉壓力和施加低、中和高壓力之間切換,從而使得軟體機(jī)器手能夠按下控制器上對應(yīng)的按鈕。當(dāng)施加低壓力時,機(jī)器人只會用食指按壓任天堂控制器使馬里奧前行,施加高壓力則會讓馬里奧跳躍。最后,它成功在不到 90 秒的時間內(nèi)通過超級馬里奧游戲第一關(guān)!
相關(guān)研究論文已于 7 月 14 日登上了科學(xué)期刊 Science Advance 封面,堪稱是“ 軟體機(jī)器人 ”領(lǐng)域內(nèi)的一項(xiàng)重要創(chuàng)新。目前,該團(tuán)隊(duì)正在嘗試和探索將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,比如康復(fù)設(shè)備、手術(shù)工具和可定制假肢等的設(shè)計(jì)。
(來源:Science Advance)
軟體機(jī)器人的關(guān)鍵——控制流體
相較于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人,軟體機(jī)器人往往具有較高的安全性和適應(yīng)性,這極大地激發(fā)了人們將其應(yīng)用在假肢和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等方面的研究興趣。
但事實(shí)上,要讓這些軟體機(jī)器人實(shí)現(xiàn)彎曲,甚至移動,往往需要通過控制周圍環(huán)境中的流體的方式來實(shí)現(xiàn),這是非常困難的,科學(xué)家們一直沒能找到比較好的解決辦法。
而在此次研究中,研究團(tuán)隊(duì)則利用‘ 流體晶體管 ’準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)了機(jī)器手的動作控制。首先,研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了三個晶體管結(jié)構(gòu),這些晶體管可以看作是軟體機(jī)器手的三根“手指”,每一根“手指”內(nèi)部由流體晶體管和可浮動的圓盤組成,該結(jié)構(gòu)頂部設(shè)有小孔。流體晶體管可以通過內(nèi)部液態(tài)合金的流動來控制電路的打開與關(guān)閉。
圖 | a)內(nèi)部構(gòu)造;b)流體“正向流動”電路狀態(tài);c)流體“反向流動”電路狀態(tài)(來源:論文)
簡單來說,隨著外部施加壓力的大小,流體晶體管內(nèi)部的流體會發(fā)生變化,從而控制電路,影響可浮動圓盤的位移大小,最終完成“手指”伸展、收縮等動作。通過集成流體電路,研究團(tuán)隊(duì)不僅能夠便捷、快速地使用流體準(zhǔn)確控制機(jī)器手的彎曲與移動,還增加了便攜性和實(shí)用性。
此外,軟體機(jī)器手的三根“手指”的物理特性不同,隨著外部壓力的增加,第一根手指率先開始出現(xiàn)垂直位移,后兩根手指則緩慢開始位移。這就意味著,只需要一個壓力輸入,就能完成三根手指的調(diào)度與配合。
3D 打印技術(shù)“ 一步到位 ”
不過,此次研究的成就顯然不止于此。
正如共同第一作者 Ruben Acevedo 博士所說:“實(shí)際上,近年來也有一些團(tuán)隊(duì)在試圖利用流體電路來增強(qiáng)軟體機(jī)器人的自主性。但是,從構(gòu)建這些流體電路,到將其與機(jī)器人集成,整個方法流程可能需要數(shù)天到數(shù)周的時間,這需要較多的人力投入以及較高的技術(shù)水平。”
而為了克服這些障礙,研究團(tuán)隊(duì)使用了“ PolyJet ”3D 打印技術(shù),PolyJet 打印是一種基于噴墨(“材料噴射”)的過程,在該過程中,多種材料并行分配(類似于我們平時使用彩色打印機(jī)的原理),以逐行、逐層的方式打印出 3D 對象。
打印完成后,研究團(tuán)隊(duì)只需要花上十多分鐘的時間將多余材料手動去除并進(jìn)行溶解,就可以得到最終產(chǎn)品。
只需按下“開始”按鈕,研究團(tuán)隊(duì)就可以在一天之內(nèi)打印出一個完整的軟體機(jī)器人——包括所有的軟體執(zhí)行器、流體電路元件和外觀部件。
因此,這種 3D 打印方法可以說是“一步到位”,大大減少了制造難度和時間耗費(fèi)。
為什么要挑戰(zhàn)“ 超級馬里奧 ” ?
實(shí)際上,研究團(tuán)隊(duì)使用軟體機(jī)器手挑戰(zhàn)“超級馬里奧”,并不僅僅是為了樂趣,同時也是出于科學(xué)考量。
因?yàn)槿翁焯玫某夞R里奧游戲的時間安排與關(guān)卡構(gòu)成是確定的,中途出現(xiàn)一個錯誤就可能導(dǎo)致整個游戲立馬 game over。因此,玩超級馬里奧提供了一種評估軟體機(jī)器人性能的新方法,這種方法具有獨(dú)特的挑戰(zhàn)性。畢竟,在此之前,還沒有軟體機(jī)器人成功玩過這類游戲。
如今,研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)將所有的科研材料與程序設(shè)計(jì)開源,GitHub 項(xiàng)目中包含工作的所有電子設(shè)計(jì)文件。
論文通訊作者、馬里蘭大學(xué)機(jī)械工程助理教授 Ryan D. Sochol 表示:“我們希望這種開源的 3D 打印策略將擴(kuò)大具有集成流體電路的軟機(jī)器人的可訪問性、傳播性、可重復(fù)性和應(yīng)用范圍,進(jìn)而促進(jìn)整個科研領(lǐng)域的進(jìn)步。”
參考資料:
https://eng.umd.edu/news/story/university-of-maryland-engineers-have-3d-printed-a-soft-robotic-hand-that-can-play-nintendo
https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257
https://advances.sciencemag.org/content/suppl/2021/07/12/7.29.eabe5257.DC1
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/video-friday-fluidic-fingers

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