Hollow-strut lattice architectures for distributed actuation and sensing in monolithic soft robots
本文提出了一种利用中空支柱晶格结构进行一体化软体机器人制造的方法，旨在将分布式气动驱动与多模态传感集成在单一打印主体内，从而在消除对组装后流体管路需求的同时，通过一种拓扑感知单通道传感系统实现弯曲运动与触觉检测的同步进行。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
想象一下，用一整块连续的橡胶构建一个软体机器人，就像一个巨大的、灵活的乐高积木。通常情况下，在制造这类机器人时，你会遇到一个问题：你需要向不同的部位泵入空气来驱动它们（驱动），并且需要挤压它们来让它们“感知”事物（传感）。但如果要在机器人所有合适的位置都安装气管和传感器，通常意味着要在打印完成后，再把额外的软管和电线粘上去。这既凌乱又脆弱，而且需要大量的组装工作。
这篇论文介绍了一种巧妙的新方法来构建这些机器人，使得一切从一开始就是内置的，无需额外的软管或电线。
以下是他们是如何实现的，使用了几个简单的类比：
1. 机器人是一个带有“秘密隧道”的“蜂窝”
机器人并不是由实心橡胶块构成的，而是像蜂窝（一种点阵结构）一样构建的。研究人员将这个蜂窝的“壁”做成了中空的，就像微小的吸管一样。
- 神奇之处： 这些中空的吸管不仅是结构件，还充当了机器人的内部管道系统。
- 结果： 你不需要在外面粘上软管。机器人本身就打印出了一个完整的内部隧道网络，随时可以输送空气。
2. 一个隧道系统中的两条道路
团队想出了如何在单一的蜂窝网络中传输两种不同类型的“交通”，而不会让它们发生碰撞：
- “肌肉”之路： 一组隧道负责将空气输送到机器人的肌肉（驱动器）中，使它能够蠕动和爬行。
- “神经”之路： 第二组独立的隧道穿过机器人，充当传感器。当机器人弯曲或被挤压时，这条隧道内的空气会被挤压，从而改变压力。
3. “音量旋钮”技巧（直径编程）
这是最具有创意性的部分。研究人员意识到，他们只需通过改变不同位置隧道的宽度，就可以改变“神经”之路的灵敏度。
- 宽隧道 (2.5 mm)： 可以把它想象成一个薄壁、高灵敏度的气球。如果你挤压它或弯曲机器人，里面的空气很容易被挤压，产生巨大的压力变化。这用于“感知”事物。
- 窄隧道 (2.0 mm)： 可以把它想象成一根厚壁、坚硬的管子。即使你弯曲机器人，这个部分也几乎不会发生变化。它就像一条安静的走廊，只负责输送空气，而不去“感知”任何东西。
通过以混合宽窄截面的方式打印机器人，他们可以精确地告诉机器人哪里该去“感觉”，哪里只需“传递”空气，而这一切只需通过改变中空支柱的直径即可实现。
4. “双耳”倾听系统
由于机器人使用的是空气（具有压缩性）而非水，压力信号可能会很微弱。为了解决这个问题，他们将两个不同的压力计连接到单个传感隧道的两端：
- 灵敏耳： 其中一个压力计非常精细。它能听到机器人弯曲时轻微、柔和的声音。
- 大声耳： 另一个压力计则是为了处理响亮、突然的噪音而设计的。
- 工作原理： 当机器人轻轻弯曲时，“灵敏耳”能听到它。但如果用力捏机器人，信号会变得太大，导致灵敏的压力计无法正常工作（即“饱和”或停止工作）。然而，“大声耳”能完美捕捉到那个巨大的挤压信号。
- 益处： 机器人仅通过观察信号的“音量”，就能分辨出自己是在“弯曲”还是在“被捏”，而这一切只需要单根隧道。
5. “爬行机器人”演示
他们制造了一个类似尺��en虫的小型机器人来证明这一方法的有效性。
- 运动： 它通过向“肌肉之路”泵入空气来向前爬行。
- 传感： 在爬行过程中，“神经之路”会告诉计算机机器人在每一步中弯曲的程度。
- 停止指令： 他们在机器人的背部增加了一个特殊的“挤压区”。如果你捏住这个地方，“大声耳”会听到一个巨大的信号。机器人会将此解读为停止命令。如果你再次捏它，它就会重新开始移动。
- 最棒的部分： 这个机器人没有按钮，没有电线，也没有外部传感器。它的“停止按钮”仅仅是它自身身体上一个经过特殊设计的、具有高灵敏度的特定区域。
总结
这篇论文表明，通过将机器人的骨架制成中空吸管，并仔细规划这些吸管的宽度，你可以创造出一个能够运动、感知并接受指令的机器人，而这一切都源于单一的打印材料。它将机器人的身体本身转化为了其自身的布线和管道系统，消除了繁琐组装的必要。
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