1.仿蛇和蜈蚣两栖机器人
图1-1. AmphiSAW机器人每次充电可以“长时间游泳数百米”，没有任何技术故障或严重的漏水现象。（图片来源：Ben-Gurion University of the Negev）
在陆地和水上移动的机器人可能非常有用，但它们也往往很复杂，速度很慢。然而，一种受生物启发的新型两栖机器人能利用一种相对简单的机制，以波动方式快速行进。
这型AmphiSAW机器人是由以色列内盖夫本-古里安大学（Ben-Gurion University of the Negev）研发的，它的灵感来自于蝾螈和蛇在水中移动的方式、以及蜈蚣在地面移动的方式。
图1-2. 课题组设计的基于相同的单电机波动机构的“爬行锯”（Crawling SAW）机器人。（A）长度为6 cm的微型SAW。（B）RSAW，一种带有两个互联的波动机构、使用一个驱动的U型接头的可重构型波动爬行机器人。（C）最初的30 cm长SAW机器人。（图片来源：Bioinspiration & Biomimetics(2023)）
机器人长51.3 cm，宽16.4 cm，重1,245g，机器人的身体主要由3D打印而成，主要组成：位于前部的头部模块，位于中部的一个垂直波动的尾巴，加上尾部的两个浮体和一个电子操纵舵。头部模块包含三台电机、一块电池、微控制器、GPS单元和无线电接收器。
图1-3. AmphiSAW机器人的水下视图（图片来源：Ben-Gurion University of the Negev）
尾巴由类似螺旋开瓶器的水平螺旋体构成，它螺旋穿过14个相连的空心桨连接器的中央。头部模块中的一台电机旋转螺旋体，使联接链依次上下运动，产生沿尾部连续传播的一系列正弦波。
这种独特的运动方式使AmphiSAW能以每秒1.5 B/s的速度沿地面爬行，并以每秒0.74 B/s的速度在水面游泳。
机器人的头部可配备两个可转动的腿或轮子，它们由另外两台电机独立驱动。在这种配置下，地面速度增加到4 B/s，机器人能够更好地爬过障碍物，它的腿/轮可用于差速转向。游泳速度也提高了近50%，但也需要权衡：腿/轮子在水中使用时会增加很多阻力，消耗很多电能，所以不建议主要应用于水下。
图1-4. AmphiSAW机器人用它的腿爬过树根（图片来源：Ben-Gurion University of the Negev）
机器人可通过无线电实时遥控，也可以通过预编程自主跟随一系列GPS导航点。
科学家们称，快速、简单、廉价的AmphiSAW号称是“文献报道中所有两栖机器人中运输成本最低的”（如果不用额外的腿或轮子）。该技术还可以很容易地放大或缩小，用于搜索与救援、海洋研究和水产养殖等应用场合。
David Zarrouk博士和他的学生Omer Guetta主持了这项研究，他们的论文最近发表在Bioinspiration & Biomimetics期刊上。
（编译自：1.Ben Coxworth. Efficient amphibious robot channels its inner snake and centipede. https://newatlas.com/robotics/amphisaw-amphibious-undulating-robot/. February 21, 2023.
2.Ben-Gurion University of the Negev. Engineers develop one of the fastest and most efficient amphibious robots. https://techxplore.com/news/2023-02-fastest-efficient-amphibious-robots.html. FEBRUARY 21, 2023）
2.基于模块化voxel技术的水下机器人
图2-1. 麻省理工学院（MIT）的研究人员提出了一种创新方法，用简单的重复子结构来建造可变形的水下机器人。研究团队以两种不同的示例配置演示了新系统，图中为第一种配置——一个像鳗鱼和蛇的水下机器人Hydrosnake在MIT的拖曳水池中试验。（图片来源：MIT）
仿生水下机器人通过波浪式起伏的身体游泳，可能比它们的刚性同类更节能，但它们也很难制造。然而，得益于一种新型模块化机器人系统，这种情况将会很快改变。
水下结构可以动态改变它们的形状，就像鱼一样，在水中游进时比传统的刚性壳体高效得多。但是，建造可变形的装置，在改变它们身体形状曲线的同时保持光滑的剖面是一个长期而困难的过程。以麻省理工学院（MIT）的RoboTuna为例，它由大约3,000个不同的部件组成，设计和制造耗时约两年。
现在，MIT的研究人员和他们的同事——包括最初RoboTuna团队的一名成员——提出了一种制造可变形水下机器人的创新方法，使用简单的重复子结构而不是独特的组件。该团队已用两种不同的配置演示了新系统，一种像鳗鱼，另一种像水翼。研究人员说，原理本身允许在形式和尺度上有几乎无限的变化。
现有用于海洋应用的软体机器人方法通常是在小尺度上进行的，而许多有用的现实世界应用需要米级尺度的装置。研究人员提出的新的模块化系统可以很容易扩展到这样的规模甚至更大，而无需像扩展现有系统那样需要更新工装和重新设计。
助理研究员Alfonso Parra Rubio说：“可扩展性是我们的一个优势。考虑到构成系统的低密度、高刚度晶格状部件——‘体元’（voxels），我们有更大的空间来继续扩大尺度”，而目前使用的大多数技术在向更大尺寸扩展时“依赖高密度材料，从而面临很大问题”。
在该团队的实验中，体元像单块“积木”，其概念验证装置主要是由铸塑塑料块组成的空心结构，具有复杂形状的窄支柱。盒子状的形状在一个方向上是坚硬且承载的，但在其它方向上是柔软灵活的，通过按不同比例组合刚性和柔性组件来实现这种不同寻常的组合。这种特性的结合使机器人能够保持其整体形状，同时又能左右弯曲——所有这些都不需要复杂的定制硬件。
Parra Rubio说：“对待软体机器人和硬体机器人是一种错误的二分法。体元是一种介于两者之间构造事物的新方法。”MIT“比特和原子中心”（Center for Bits and Atoms）负责人Gershenfeld补充说：“这是结合两者最佳元素的第三种途径。”
图2-2. 近观已褪去氯丁橡胶表皮的Hydrosnake机器人。这种可变形的机器人由被称为“体元”(voxel)的晶格状部件制成，这种部件密度低，刚度高。（图片来源：MIT）
Triantafyllou是海洋科学与工程教授，也是RoboTuna团队的一员，他说：“机器人体表面光滑的柔性使我们能够进行流动控制，从而减少阻力并提高推进效率，从而大幅节省燃料。”
在一次技术演示验证中，科学家们制造了一个约1 m长的蛇形机器人，由20个体元端到端连接起来。机器人体由4段组成，每段由5个体元组成，中间有一个作动器，它可以拉动连接在两侧每个体元上的一根钢索，使它们收缩并使结构弯曲。这样，体元依次向一侧或另一侧压缩和放松，产生从身体前部到后部的波动。全部20个单元的结构被肋骨状的支撑结构覆盖，然后覆盖了一层紧密贴合的防水氯丁橡胶表皮，使它具有良好的流体动力学特性。拖曳水池试验表明，这种机器人确实能以这种方式在水中高效游动。
Gershenfeld说：“以前有很多蛇形机器人，但它们通常是由定制部件构成的，而不是这些可扩展的简单积木式部件。”
图2-3 单独体元主要是由形状复杂的窄支柱铸塑塑料块组成的空心结构（图片来源：MIT）
用体元制造的Hydrosnake机器人由大约60个独立部件构成，而NASA之前用传统部件制造的蛇形机器人由数千个部件组成。此外，MIT自己的仿金枪鱼RoboTuna机器人花了两年时间来设计和制造，而Hydrosnake只花了几天时间就完成了组装。
他们展示的另一种装置是一种类似机翼的形状，或称水翼，由一组相同的体元组成，但能够改变其剖面形状，从而控制水翼的升阻比和其它特性。这种类似机翼的形状可以用于多种用途，从波浪发电到帮助提高船体效率——这是一项迫切需求，因为航运是碳排放的一个重要来源。
图2-4. 这种水翼利用体元（voxels）来改变形状 （图片来源：MIT）
与蛇不同的是，这种水翼由一组鳞片状的重叠敷瓦所覆盖，这些敷瓦可以相互压紧，即使水翼的曲率发生变化，也能保持水密。一种可能的应用是在船体剖面上添加某种东西，以减少涡流阻力的形成，从而提高整体效率，该团队正在与航运界合作探索这种可能性。
最终，这一概念可能会应用于一种类似鲸鱼的潜器上，利用其可变形的身体形状来产生推力。这种船可以通过停留在水下躲避恶劣天气，但没有常规推进的噪音和湍流。这一概念也可应用于其它船的某些部分，如赛艇，在转弯时龙骨或舵可以轻柔地弯曲，而不是保持平直，这可提供额外的临界点余量。Gershenfeld说：“如果你能像鱼那样弯曲，而不是僵硬的或只是有一片舵叶，你就能非常高效地转弯。”
研究助理Alfonso Parra Rubio、Michael Triantafyllou教授和Neil Gershenfeld教授主持了这项研究，他们的研究论文最近发表在Soft Robotics期刊上。
（编译自：1.David L. Chandler. Engineers devise a modular system to produce efficient, scalable aquabots. https://techxplore.com/news/2023-02-modular-efficient-scalable-aquabots.html. February 6, 20232.Ben Coxworth. Modular voxel tech could bring swimming robots into the mainstream. https://newatlas.com/robotics/modular-voxel-swimming-robots/. February 08, 2023.）
3.受海洋生物启发的连接式机器人
图3-1. 一串连在一起的樽海鞘——RoboSalp机器人的灵感来源
如果你正为探索其他行星上的海洋而设计机器人，你会想要一种坚固、多功能且易于储存在航天器中的机器人。受海洋生物启发的软体机器人可能是完美选择。
樽海鞘（Salp）是一种在世界各处海洋中发现的小动物，它们用凝胶状的桶状身体泵水，从而实现在海洋中行进。它们的生命周期有一部分是单独度过的，还有一部分与其它樽海鞘连成长链。
图3-2. 樽海鞘个体 （图片来自网络）
图3-3. 连成长链的樽海鞘群 （图片来自网络）
在研究员瓦伦蒂娜•洛•加托（Valentina Lo Gatto）的带领下，布里斯托大学（University of Bristol）的科学家们开发出了受樽海鞘启发的实验性水下机器人，被称为RoboSalps。
每个机器人都有一个管状的软硅胶机身，里面是一个电机和螺旋桨。这个双向推进器将水吸进身体，让机器人上下或来回喷射。然而，这种简单的推进机理只能完成相当基本的运动。
图3-4. 三只相连的RoboSalps通过一个试验水槽（图片来源：Valentina Lo Gatto）
考虑到这一限制，RoboSalps可以相互连接，形成多机器人结构，从而可以更像一艘真正的潜器那样机动——其中一些可用于产生水平推力，另一些可用于产生垂直推力。
如果一组RoboSalps中的一只失灵了，其它的可以进行补偿，从而提供一个冗余系统。多个机器人可作为一个群组自主抵达水下目的地，然后分开单独执行各自的任务，之后它们又会重新连接在一起。
Lo Gatto说：“由于它们重量轻、坚固耐用（robustness），它们非常适合进行地球外水下探索任务，如在木星卫星“欧罗巴”（Europa）的海洋之下。”
其它建议的应用包括检查污水隧道和工业冷却系统。
（编译自：Ben Coxworth. Sea-creature-inspired linked robots could explore alien oceans. https://newatlas.com/robotics/robosalp-underwater-robots/. February 10, 2023）
4.基于自愈导电凝胶的软体机器人
图4-1. 凝胶的外部条带将电池连接到这只软体机器人蜗牛上的电机上（图片来源：Carnegie Mellon University College of Engineering）
为了充分发挥其潜力，软体机器人装置不能仅由软湿橡胶包裹的刚性电子元件组成。一种新材料可在这方面有所帮助，因为它具有柔软、高延展性、自愈和导电特性。
这种物质由卡耐基梅隆大学（Carnegie Mellon University）的一个科学家团队开发，由一种凝胶状聚乙烯醇-硼酸钠碱（polyvinyl alcohol-sodium borate base）组成，其中嵌入了银制微薄片和镓基液态金属液滴。它还灌入了乙二醇，以防止干燥。
这种材料不仅完全能传导大电流，而且可以被拉伸到松弛长度的400%而不断裂。此外，如果一块材料被切成两半，可以通过机械和电的方式将自己恢复成一片。
在一项凝胶试验中，一条凝胶带被用来连接一个电池和一个软体机器人蜗牛外部的电机。当这条带子被切断时（两端仍然相互接触），蜗牛的速度下降了50%以上。一旦两端愈合在一起，速度增加到初始速度的68%。
在另一项试验中，两条凝胶带最初被用于向一辆玩具汽车的发动机传递电流。科学家们继续从这两条带子的中间切出两段，将带子被切断的两端重新连接起来以恢复电机的供电，并用抽取出的两段为汽车顶部的LED供电。
最后，小块材料被用来代替传统的刚性电极，以获得志愿者身体不同部位的肌电图（electromyography，EMG）读数。
首席科学家Carmel Majidi教授说：“我们的凝胶可以作为一个生物电极，直接与安装在身体上的电子装置接口，收集信息并无线传输，而不是用生物监测电极将你与安装在车上的生物测量硬件连接起来。”
可能性还不止于此……。他补充道：“看到软体机器人用于监测难以到达的地方——无论是监测水质的蜗牛，还是在我们房子周围爬行寻找霉菌的鼻涕虫，这将是一件有趣的事。”
关于这项研究的论文最近发表在《自然•电子学》（Nature Electronics）期刊上。
（编译自：1.Ben Coxworth. Self-healing conductive gel could make "soft robots" truly soft.https://newatlas.com/robotics/self-healing-conductive-gel-soft-robots/ March 13, 2023）2.Carnegie Mellon University. New material provides breakthrough in 'softbotics'. https://techxplore.com/news/2023-03-material-breakthrough-softbotics.html. March 9, 2023）
5.用墨鱼眼作为机器人眼睛的模板
图5-1. 生活在水下环境中的墨鱼的光学特性（图片来源：Sci. Robot.）
来自韩国首尔国立大学（Seoul National University）、光州科学技术学院（Gwangju Institute of Science and Technology）和釜山国立大学（Pusan National University）的机器人专家团队开发了一种新型的机器人眼睛，这种眼睛可以在不均匀照明条件下看得更好。在他们发表在《科学机器人》（Science Robotics）期刊上的论文中，研究小组描述了他们利用墨鱼（Cuttlefish）的属性作为新设计的模板。
墨鱼是海洋软体动物，与章鱼和鱿鱼一样，同属头足类。墨鱼有8只手臂、2只触须、齿状吸盘和W形瞳孔。先前的研究表明，这种独特的瞳孔形状能帮助这种生物在昏暗或光照不均匀的条件下看东西。在这项新研究中，研究人员使用墨鱼眼睛的W形状作为模板，创造了一种新的机器人眼睛，这种眼睛在光线较差的环境下比目前大多数机器人使用的眼睛工作得更好。
为制造机器人眼睛，工程师们制造了一个W形瞳孔，将其连接到一个球形透镜上，并用了一个将两者分开的光圈。他们还在眼睛的内表面添加了可弯曲的偏振材料、以及用于将光子转换为电信号的圆柱形硅光电二极管阵列。然后，该团队对新设计进行了测试，并将其与目前的机器人眼技术进行了比较，目前的机器人眼技术通常是基于通用摄像头的。
图5-2. 基于墨鱼眼的人工视觉系统的目标检测（视频截图）（译注：上图：普通镜头；下图：仿墨鱼眼W形瞳孔。可见，上下图的亮度明显不同，尤其是图像左下角红框中骑车人的清晰度差别明显。）（图片来源：Sci. Robot.）
他们发现，新设计在测试照片上检测到的细节比其它机器人眼所能检测到的更多。他们还发现，在将昏暗物体的轮廓转换为真实世界的估计值时，它比普通的机器人眼更准确。
研究人员表示，他们的新设计是创造新型机器人眼的第一步，新型机器人眼可以更好地应对弱光或昏暗的环境，也可以处理盲点。他们指出，这种机器人眼在漫游机器人甚至汽车上特别有用。他们计划继续开展工作，首先寻找更廉价的技术来替换昂贵组部件，并增加跟踪功能。
（编译自： Bob Yirka. Using the cuttlefish eye as a template for robot eyes that can see better in murky conditions. https://techxplore.com/news/2023-02-cuttlefish-eye-template-robot- eyes.html. February 16, 2023）
6.机器人毛毛虫展示了软机器人运动的新方法
图6-1. 毛毛虫机器人（caterpillar-bot）（图片来源：Shuang Wu, NC State University）
北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）的研究人员展示了一种类似毛毛虫的软体机器人，它可以向前、向后移动，还可在狭窄空间里下降。毛毛虫机器人的运动是由一种新模式的银纳米线（silver nanowires）驱动的，它用热量来控制机器人弯曲的方式允许用户向任何方向操纵机器人。
该项工作一篇论文的通讯作者、北卡州机械和航空航天工程的安德鲁·A·亚当斯（Andrew A. Adams）杰出教授Yong Zhu说：“毛毛虫的运动是由它身体的局部曲率控制的——当它向前拉自己和向后推自己的时候，它的身体曲线是不同的。我们从毛毛虫的生物力学中获得灵感来模拟局部曲率，并用纳米线加热器来控制毛毛虫机器人的类似曲率和运动。”
Zhu说：“能够向两个不同方向移动的工程软体机器人是软体机器人领域的重大挑战。嵌入式纳米线加热器允许我们以两种方式控制机器人的运动。我们可以通过控制软体机器人的加热模式来控制机器人的哪些部分弯曲，通过控制所施加的热量来控制这些部分弯曲的程度。”
这种毛毛虫机器人由两层聚合物组成，它们在受热时的反应不同。底层受热收缩，顶层受热膨胀。银纳米线的图形模式嵌入在聚合物的膨胀层中。这种图形模式包括多个引线点，研究人员可通过对不同的引线点施加电流来控制纳米线图形的哪些部分升温，并可通过加电大小来控制热量。
该论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士后研究员Shuang Wu说：“我们证明了毛毛虫机器人能够向前拉自己和向后推自己。一般来说，我们施加的电流越大，它在两个方向上的移动速度就越快。然而，我们发现有一个最佳循环周期，它给聚合物时间冷却，有效地让“肌肉”在再次收缩之前放松。如果我们让毛毛虫机器人循环过快，它的身体在再次收缩之前没有时间‘放松’，就会影响它的运动。”
研究人员还证明，毛毛虫机器人的运动可以被控制到这样的程度，即用户可以在一个非常小的间隙下操纵它——类似于引导机器人从门下面溜过。本质上，研究人员可以控制向前和向后运动、以及机器人在这一过程中任意点向上弯曲的高度。
Zhu说：“这种在软体机器人中驱动运动的方法非常节能，我们对探索使这一过程更高效的方法很感兴趣。接下来的步骤包括将这种方法与传感器或其它技术一同集成到软体机器人运动中，用于各种应用，如搜索和救援装备。”
这篇题为“受毛毛虫启发的分布式可编程热驱动软体爬行机器人”（Caterpillar-Inspired Soft Crawling Robot with Distributed Programmable Thermal Actuation）的论文将于3月22日发表在《科学进展》（Science Advances）期刊上。
（编译自：North Carolina State University. Robot caterpillar demonstrates new approach to locomotion for soft Robotics. https://techxplore.com/news/2023-03-robot-caterpillar-approach- locomotion-soft.html. March 22, 2023）
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