不到90秒轻松玩过第一关,这款3D打印软体机器手,竟是超级马里奥的高级玩家

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大数据文摘授权转载自学术头条 撰文:吴婷婷 编审:寇建超

作为闯关小游戏的鼻祖,任天堂的超级马里奥系列游戏经久不衰,可谓是老少皆宜、承载着童年回忆的经典存在了。任天堂推出这款游戏时,也可能想到了它会在人类中风靡,不过他们一定没想到,有一天,它甚至被机器人玩起来了。

究竟是怎么回事呢?

近日,来自马里兰大学的研究团队及其合作者使用 3D 打印技术做出了一只软体机器手,它基于流体晶体管技术,不仅易制造、易操控,还非常灵活,灵活到可以通关超级马里奥的程度了。

不到90秒轻松玩过第一关,这款3D打印软体机器手,竟是超级马里奥的高级玩家

大数据文摘授权转载自学术头条

撰文:吴婷婷

编审:寇建超

作为闯关小游戏的鼻祖,任天堂的超级马里奥系列游戏经久不衰,可谓是老少皆宜、承载着童年回忆的经典存在了。任天堂推出这款游戏时,也可能想到了它会在人类中风靡,不过他们一定没想到,有一天,它甚至被机器人玩起来了。

究竟是怎么回事呢?

近日,来自马里兰大学的研究团队及其合作者使用 3D 打印技术做出了一只软体机器手,它基于流体晶体管技术,不仅易制造、易操控,还非常灵活,灵活到可以通关超级马里奥的程度了。

在演示中,研究团队设计了一个集成流体回路,设定程序的引导会使其自动在关闭压力和施加低、中和高压力之间切换,从而使得软体机器手能够按下控制器上对应的按钮。当施加低压力时,机器人只会用食指按压任天堂控制器使马里奥前行,施加高压力则会让马里奥跳跃。最后,它成功在不到 90 秒的时间内通过超级马里奥游戏第一关!

相关研究论文已于 7 月 14 日登上了科学期刊 Science Advance 封面,堪称是“ 软体机器人 ”领域内的一项重要创新。目前,该团队正在尝试和探索将这项技术应用于生物医学领域,比如康复设备、手术工具和可定制假肢等的设计。

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软体机器人的关键——控制流体

相较于传统的刚性机器人,软体机器人往往具有较高的安全性和适应性,这极大地激发了人们将其应用在假肢和生物医学设备等方面的研究兴趣。

但事实上,要让这些软体机器人实现弯曲,甚至移动,往往需要通过控制周围环境中的流体的方式来实现,这是非常困难的,科学家们一直没能找到比较好的解决办法。

而在此次研究中,研究团队则利用“流体晶体管”准确实现了机器手的动作控制。首先,研究团队设计了三个晶体管结构,这些晶体管可以看作是软体机器手的三根“手指”,每一根“手指”内部由流体晶体管和可浮动的圆盘组成,该结构顶部设有小孔。流体晶体管可以通过内部液态合金的流动来控制电路的打开与关闭。

不到90秒轻松玩过第一关,这款3D打印软体机器手,竟是超级马里奥的高级玩家

图 | a)内部构造;b)流体“正向流动”电路状态;c)流体“反向流动”电路状态(来源:论文)

简单来说,随着外部施加压力的大小,流体晶体管内部的流体会发生变化,从而控制电路,影响可浮动圆盘的位移大小,最终完成“手指”伸展、收缩等动作。通过集成流体电路,研究团队不仅能够便捷、快速地使用流体准确控制机器手的弯曲与移动,还增加了便携性和实用性。

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此外,软体机器手的三根“手指”的物理特性不同,随着外部压力的增加,第一根手指率先开始出现垂直位移,后两根手指则缓慢开始位移。这就意味着,只需要一个压力输入,就能完成三根手指的调度与配合。


3D 打印技术“ 一步到位 ”

不过,此次研究的成就显然不止于此。

正如共同第一作者 Ruben Acevedo 博士所说:“实际上,近年来也有一些团队在试图利用流体电路来增强软体机器人的自主性。但是,从构建这些流体电路,到将其与机器人集成,整个方法流程可能需要数天到数周的时间,这需要较多的人力投入以及较高的技术水平。”

而为了克服这些障碍,研究团队使用了“polyJet”3D 打印技术,PolyJet 打印是一种基于喷墨(“材料喷射”)的过程,在该过程中,多种材料并行分配(类似于我们平时使用彩色打印机的原理),以逐行、逐层的方式打印出 3D 对象。

打印完成后,研究团队只需要花上十多分钟的时间将多余材料手动去除并进行溶解,就可以得到最终产品。

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只需按下“开始”按钮,研究团队就可以在一天之内打印出一个完整的软体机器人——包括所有的软体执行器、流体电路元件和外观部件。

因此,这种 3D 打印方法可以说是“一步到位”,大大减少了制造难度和时间耗费。


为什么要挑战“ 超级马里奥 ” ?

实际上,研究团队使用软体机器手挑战“超级马里奥”,并不仅仅是为了乐趣,同时也是出于科学考量。

因为任天堂的超级马里奥游戏的时间安排与关卡构成是确定的,中途出现一个错误就可能导致整个游戏立马 game over。因此,玩超级马里奥提供了一种评估软体机器人性能的新方法,这种方法具有独特的挑战性。毕竟,在此之前,还没有软体机器人成功玩过这类游戏。

如今,研究团队已经将所有的科研材料与程序设计开源,GitHub 项目中包含工作的所有电子设计文件。

论文通讯作者、马里兰大学机械工程助理教授 Ryan D. Sochol 表示:“我们希望这种开源的 3D 打印策略将扩大具有集成流体电路的软机器人的可访问性、传播性、可重复性和应用范围,进而促进整个科研领域的进步。”

参考资料:

https://eng.umd.edu/news/story/university-of-maryland-engineers-have-3d-printed-a-soft-robotic-hand-that-can-play-nintendo

https://advances.sciencemag.org/content/7/29/eabe5257

https://advances.sciencemag.org/content/suppl/2021/07/12/7.29.eabe5257.DC1

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/video-friday-fluidic-fingers

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