受藤蔓啟發(fā)的具有自適應(yīng)行為的軟體生長(zhǎng)機(jī)器人FiloBot

在執(zhí)行探索非結(jié)構(gòu)化環(huán)境等任務(wù)時(shí)，傳統(tǒng)機(jī)器人可能會(huì)被無(wú)法跨越的縫隙等障礙物所阻礙。這正是 FiloBot 的優(yōu)勢(shì)所在，因?yàn)樗梢韵褡粤⑻俾粯由L(zhǎng)。

FiloBot由意大利技術(shù)研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的科學(xué)家開(kāi)發(fā)，由埃馬努埃拉-德?tīng)柖嗤欣祝‥manuela Del Dottore）領(lǐng)導(dǎo)的這項(xiàng)研究的論文最近發(fā)表在《科學(xué)機(jī)器人學(xué)》（Science Robotics）雜志上。您可以在下面的視頻中看到FiloBot的延時(shí)生長(zhǎng)過(guò)程。

FiloBot能夠向著光源生長(zhǎng)，遠(yuǎn)離重力的牽引（當(dāng)然也可以反過(guò)來(lái)），與攀援植物的卷須并無(wú)二致。FiloBot通過(guò)模仿攀爬植物的生長(zhǎng)方式——通過(guò)在頂端增加材料來(lái)構(gòu)建身體，實(shí)現(xiàn)在難以預(yù)測(cè)和復(fù)雜的環(huán)境中的導(dǎo)航。這種設(shè)計(jì)理念的核心在于能夠適應(yīng)多種地形并克服障礙，特別適用于密集森林或雜亂區(qū)域這樣的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境。機(jī)器人使用添加制造技術(shù)（特別是熔融沉積建模，F(xiàn)DM）來(lái)創(chuàng)造其生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)。

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該裝置的頂部是一個(gè)錐形頭，底部是一個(gè)電源/基站，中間是一個(gè)莖狀體。隨著機(jī)器人的生長(zhǎng)，莖身會(huì)變得越來(lái)越長(zhǎng)......但它是如何生長(zhǎng)的呢？

FiloBot不斷從基站的線軸上將3D打印熱塑塑料絲拉到頭部。絲線穿過(guò)頭部的加熱擠出機(jī)，擠出機(jī)相對(duì)于機(jī)身緩慢旋轉(zhuǎn)。通過(guò)這種方式，機(jī)器人以連續(xù)盤繞的熔融塑料層為自己的身體進(jìn)行3D打印，這些塑料層在冷卻后粘合在一起。

FiloBot 的頭部示意圖Del Dottore et al. 9, Eadi5908 (2024) 盡管如此，身體并不是以統(tǒng)一的方式打印出來(lái)的。通過(guò)光傳感器、陀螺儀和其他集成在頭部的電子設(shè)備，塑料的溫度、方向和沉積速度不斷變化。這樣，F(xiàn)iloBot 就能控制其身體的生長(zhǎng)方向，始終朝著光的方向，遠(yuǎn)離地面。

更重要的是，當(dāng)有垂直支撐物時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)繞過(guò)支撐物（就像藤蔓繞過(guò)棚架一樣），從而在不需要力量的時(shí)候，花費(fèi)較少的時(shí)間和精力就能長(zhǎng)出強(qiáng)壯的身體。然而，當(dāng)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)相鄰的支撐面時(shí)，換句話說(shuō)，當(dāng)頭部到達(dá)一個(gè)空曠的空間時(shí)，身體就會(huì)變硬且更為強(qiáng)壯，從而能夠支撐自己。

FiloBot在操作中顯示出了對(duì)多種環(huán)境刺激的適應(yīng)性，包括光照和重力。FiloBot通過(guò)內(nèi)置的傳感器來(lái)捕捉環(huán)境中的光照和重力變化。這些傳感器包括加速度計(jì)和數(shù)字顏色傳感器，如VEML3328，用于感知光的強(qiáng)度和方向。機(jī)器人通過(guò)這些傳感器，能夠模仿植物的光向性和向地性行為。例如，它能夠根據(jù)光照強(qiáng)度和方向調(diào)整生長(zhǎng)方向，類似于植物的向光性。同時(shí)，它也能根據(jù)重力方向調(diào)整其生長(zhǎng)，模仿植物的向地性。

FiloBot的研究展示了軟體機(jī)器人技術(shù)在模仿自然界中生物的行為方面的巨大潛力，特別是在處理復(fù)雜和非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的導(dǎo)航問(wèn)題上。這項(xiàng)研究不僅為軟體機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路，還為未來(lái)在極端或復(fù)雜環(huán)境中的探索和監(jiān)測(cè)提供了新的可能性。FiloBot通過(guò)其創(chuàng)新的設(shè)計(jì)和功能，展現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)與自然界生物功能相結(jié)合的未來(lái)方向。




審核編輯：劉清