加州大學圣巴巴拉分校和佐治亞理工學院的研究人員正在探索一個新領域：一種快速、可控的軟機器人，可以在地下空間中航行，在沙子中挖洞。該技術(shù)不僅可以實現(xiàn)地下快速、精確和微創(chuàng)運動的新應用，而且還為新型機器人奠定了機械基礎。

　　在地面上移動的最大挑戰(zhàn)就是所涉及的力。盡管空氣和水對穿過它們的物體幾乎沒有阻力，但地下世界是另一回事。

　　如果你試圖穿過地面，你必須將土壤、沙子或其他介質(zhì)推開，幸運的是，自然界以植物和真菌的形式提供了許多地下導航的例子，這些植物和真菌構(gòu)建了地下網(wǎng)絡，而動物已經(jīng)掌握了直接通過顆粒介質(zhì)隧道的能力。佐治亞理工學院 Dunn Family 物理學教授 Daniel Goldman 表示，對植物和動物如何掌握地下導航的機械理解為科學和技術(shù)開辟了許多可能性。

　　發(fā)現(xiàn)不同生物體在顆粒介質(zhì)中成功游泳和挖掘的原理可以導致開發(fā)新型機制和機器人，這些機制和機器人可以利用這些原理，反過來，具有這種能力的機器人的開發(fā)可以激發(fā)新的動物研究，并指出顆?；|(zhì)物理學中的新現(xiàn)象。

　　研究人員在霍克斯實驗室設計的藤蔓狀軟機器人取得了良好的開端，該機器人模仿植物及其從尖端生長的導航方式，而身體的其余部分保持靜止。根據(jù)研究人員的說法，在地下環(huán)境中，尖端延伸保持較低的抵抗力，并且僅局限于生長端;如果整個身體隨著長大而移動，整個表面的摩擦會隨著更多機器人進入沙子而增加，直到機器人不再移動。

　　與此同時，穴居動物啟發(fā)了另一種稱為顆粒流化的策略，該策略將顆粒懸浮在類似流體的狀態(tài)，并使動物能夠克服沙子或松散土壤帶來的高阻力。

　　例如，南方沙章魚會向地下噴射一股水流，然后用它的手臂將自己拉入暫時松動的沙子中。這種能力以一種基于尖端的流動裝置的形式進入研究人員的機器人，該裝置將空氣噴射到生長末端之前的區(qū)域，使其能夠進入該區(qū)域。

　　我們發(fā)現(xiàn)的最大挑戰(zhàn)也是解決時間最長的問題是當我們切換到水平挖洞時，我們的機器人總是會浮出水面，盡管氣體或液體均勻地流過對稱物體的上方和下方，但在流化沙中，力的分布并不平衡，并且為水平移動的機器人創(chuàng)造了顯著的升力。將沙子向上推開，比將其壓實要容易得多。

　　機器人伸展運動的視頻，靈感來自根尖的生長。

　　為了了解機器人的行為和空氣輔助入侵的大部分未探索物理特性，該團隊進行了阻力和升力測量，這是由于氣流從水平推入沙子的實心桿的尖端進入的不同角度。

　　顆粒材料中的摩擦力響應與牛頓流體的摩擦力響應大不相同，因為由于高摩擦，侵入沙子會在運動方向上壓實和擠壓大片地形，為了緩解這種情況，一種將谷物從入侵者手中提升和推開的低密度流體通常會減少它必須克服的凈摩擦應力。

　　與氣體或液體不同，向下的流體噴射會為移動物體產(chǎn)生升力，而在沙子中，向下的氣流降低了升力，并在機器人生長的尖端下方挖掘了沙子。結(jié)合沙魚蜥蜴的靈感，沙魚蜥蜴的楔形頭部有利于向下運動，使研究人員能夠調(diào)節(jié)阻力并保持機器人水平移動而不會從沙子中升起。

　　像這樣的小型探索性軟機器人具有多種應用，需要在干燥的顆粒介質(zhì)中進行淺挖洞，例如土壤采樣、公用事業(yè)的地下安裝和侵蝕控制。尖端延伸可以改變方向，同時還允許機器人的身體調(diào)節(jié)它在介質(zhì)中錨定的牢固程度，這種控制對于在低重力環(huán)境中的探索非常有用。事實上，該團隊正在與 NASA 合作開展一個項目，為月球甚至更遠的天體(如木星衛(wèi)星土衛(wèi)二)開發(fā)挖洞技術(shù)。

　　挖洞機器人有可能為外星機器人開辟新的途徑并實現(xiàn)新的能力。