3D列印軟關節機器人叢集：挑戰艱難地形與任務

想像一下，一群巴掌大小的微型機器人，散佈在遭受野火肆虐的社羣，繪製受有毒物質汙染的區域地圖，尋找倖存者，確定野火迅速蔓延的區域。或者設想這些機器人被用於清除戰場上的地雷，在地震後進行搜尋和救援任務，又或者部署在農場以抵禦害蟲並監測土壤狀況。

這正是塔夫茨大學機械工程助理教授馬庫斯·內米茨多年來一直致力研究的願景。如今，根據發表在《自然通訊》上的一篇新論文，隨著利用3D列印技術製造的小型、有韌性的軟關節機器人的問世，這一願景正逐漸成為現實。

內米茨表示：「我的博士研究方向是群體機器人學。我會開發控制大量機器人組合的演演算法，讓它們能夠共享資訊，並根據不斷變化的條件和集體行動的需要調整行為。但我意識到，雖然我和其他人都在為模擬建立這些演演算法，但卻沒有實際的機器人系統來展示它們。我想，也許我應該解決這個問題。」

一般認為，建立數百甚至數千個機器人的實際叢集成本太高，難以付諸實踐。內米茨和研究生塞姆·艾居爾設計了一種耐用的機器人，幾乎可以在幾個小時內用3D列印機完全製造出來。這不僅克服了成本障礙，還縮短了製造時間。理論上，一天之內用一排列印機就能列印出數百個這樣的機器人。

機器人叢集的應用預計將在艱難且不可預測的環境中進行，有些機器人在執行集體任務時可能會損失或犧牲。內米茨說：「我們設計的機器人有軟性和硬性部件，而不像波士頓動力的機器狗『斯波特』那樣主要是硬性部件。你可以從直升機上把我們的機器人扔下來，或者用輪子壓扁它們，但它們仍然能夠爬起來繼續行走。它們可以在岩石上行走，在沙子上行走，還能爬上陡峭的斜坡。它們可以適應許多不同的環境，所以現在我們可以開發出真正走出實驗室且具有高存活率的群體能力。」

機器人的四肢由半軟性連桿和軟關節組成，類似於哺乳動物或爬行動物的四肢，其骨骼結構由較軟的軟骨襯裡關節連線，允許在單一旋轉平面之外有一定的活動空間。透過為連桿分配多種不同軟硬度的材料，機器人對物理衝擊的耐受性更強。

一些完全剛性的機器人雖然相當靈活，但在不平整且不可預測的地形上著陸時，為了保持直立，它們的多個肢體必須突然進行多次快速校正。而採用軟關節的機器人在地形上行走時有更流暢的運動模式，能夠輕鬆適應表面的不規則性。

列印機能夠分配多種材料，因此半軟性和軟性部件可以同時製造。電子元件在列印過程中手動新增，但這一步驟也可以自動化。內米茨說：「一旦有了這些機器人，我們還可以對它們進行定製，因為每項任務都可能有獨特的條件。」

「你可能記得，2018年泰國的坦鑾南農洞穴系統中有一支足球隊被困。由於狹窄的通道、岩石表面和水下環境的複雜組合，沒有機器人系統能夠到達他們身邊。理論上，人們可以快速列印出具有新組合功能的機器人，以穿越這些複雜的環境，傳遞資訊和物資。」

內米茨和他的實驗室一直在並行研究排雷和環境監測等特定應用，包括跟蹤冰川的變化條件和位置。