不用电路控制的机器人！加州大学开发出气动逻辑系统，能用意想不到的方式弹钢琴

明敏 2021-08-02 13:31:00 来源：量子位

明敏 发自 凹非寺

量子位 报道 | 公众号 QbitAI

“脑袋”里只有空气，就能弹奏出8小节的乐章。

这个软体机器手弹钢琴，核心居然全靠空气驱动。

最近，加州大学河滨分校的学者们开发出了一个气动随机存取存储器 （RAM），并成功用它操纵软体机器人演奏了一首曲子。

用气流阀取代电子晶体管，用气动逻辑取代计算机逻辑，研究人员成功让这个机器人摆脱了传统机电元件的控制系统。

连接其“手”、“脑”的也不再是电线，变成了透明的气流管道。

它们一端连接着气动RAM，另一端连接着机器人的手指。

通过改变管道内的气压，就能控制机器人手指按下琴键。

从单个音符、和弦到演奏一整首曲子，这个机器人都能分分钟拿下。

而这都还只是气动RAM小试牛刀罢了。

据研究人员介绍，一个10位的气动RAM，就能实现900个独立执行器能完成的任务。

这有效解决了目前很多气动机器人依旧使用机电结构的困境。

而且它的体积更小、重量更轻，能够大幅降低气动软体机器人的成本、尺寸和功率需求。

要知道，充气软体机器人的使用前景是非常广阔的。

由于其柔软性、安全性更高，在执行精细任务上比传统刚性机器人具备更大优势。

比如人畜无害的大白(●—●)，就是一个非常典型的充气机器人。

这无疑打破了软体机器人在使用场景上的许多局限性，目前该研究已在开放性期刊《PLOS One》上发表。

气动RAM操控更多通路

想要用气体让机器人弹奏出音乐，主要依靠两个部分：气动RAM和单片隔膜阀。

气动RAM其实是一个用微流控阀代替晶体管的随机存取存储器。

能够实现记忆、维持机器人执行器状态，主要靠的就是这个微流控阀，

它最初是被用在微流控芯片上控制液体流动，这些阀门能够在气流供应断开时，仍旧保持压力差存在。

而且这些阀门还可以组成复杂的密集阵列，来执行很多高级操作。

比如在这个弹钢琴的软体机器人身上，研究人员制作了一个八位的非易失性RAM。

与传统电路中单个通路控制单个执行器不同，使用气动RAM可以用n个通路控制2的n-1次方个执行器。

也就是说，同样4个通路的情况下，气动RAM可以控制8个机械手指的独立性操作。

那么机械手指是如何弯曲并敲下琴键的呢？

这时就需要气流登场了。

气动RAM所控制的单个通路上，都有一个隔膜阀。

它主要由输入通道、输出通道和控制通道组成，中间有一个可移动的硅膜。

通过改变控制通道中的气压，让硅膜移动，从而控制气阀中气流的流动。

当控制通道为真空状态时，硅膜就会被拉入控制通道，与此同时输入-输出通道打开，气流通过。这就表示为信号“1”，机械手指此时会弯曲。

当控制通道中有气压时，硅膜堵死整个通道，此时表示信号“0”，手指则为舒展状态。

考虑到传统单片隔膜阀的气流速度不够高，大型或移动速度快的机器人无法使用，研究人员还对此进行了改进。

他们使用了多个规格相同的输入、输出通道，一方面消除了产生意外通路的可能，另一方面提高了气流通过速度。

通过改变不同通道内的气压，研究人员可以机器人在钢琴上演奏出音符、和弦，甚至是一整首歌曲。

值得一提的是，这个机器人的整套系统中，只有抽取真空的泵是用了电池的，其他部分没有任何机电硬件，安全性很高。

而且一个10位的气动RAM就能包含2046个通路，每个阀门的面积仅为7平方毫米，这使得一个10位的气动RAM差不多只有一个智能手机屏幕那么大。

由于其安全、轻便的特性，将来可用于低龄残障儿童的可穿戴设备上。

One More Thing

值得一提的是，今年2月加州大学圣地亚哥分校的研究人员们也研发出了一款无电子元件、由气体驱动的软体机器人，并登上《Science Robotics》的封面。

这个机器人的每条腿都由3条可伸缩的充气橡皮管制造而成，四条腿呈X形相连，通过充气或漏气的设计就能走起路来。

与机电组件组成的机器人比起来，轻便不少。

它的核心其是一种由软阀设计的环形振荡器。

而今年6月，一个充气挖掘机器人也登上《Science Robotics》封面。

看来，气体软体机器人真的是一个热门研究领域啊！

说不定，有朝一日我们真的能看到现实版的“大白”呢~

参考链接：
[1]https://news.ucr.edu/articles/2021/07/16/air-powered-computer-memory-helps-soft-robot-control-movements
[2]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0254524
[3]https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eaay2627