豐色 發(fā)自 凹非寺

量子位 報(bào)道 | 公眾號 QbitAI

見過了機(jī)械手捏易拉罐、盤“核桃”、玩魔方……

見過它玩超級馬里奧嗎？

下面就有一只只有3根手指頭的機(jī)械手，“氣定神閑”地操縱著游戲手柄順利通過馬里奧第一關(guān)。

ps.是不是有點(diǎn)看不清手指的按動，放大版：雖然這個操作和玩魔方比起來沒有那么炫酷，但你仔細(xì)看，此機(jī)械手并非由傳統(tǒng)的金屬等材料制成，而是由塑料、橡膠等材料通過3D打印制造的一個“軟體”機(jī)械手。

是的，軟體的，里面不包含任何金屬機(jī)械手的裝置。

那它是如何控制“自己”從而通關(guān)游戲的呢？

△成果登上了Science子刊

一只流體控制的機(jī)械手

也許你猜到了，就是靠流體控制。

它用到了一些3D流體電路元件，包括流體二極管、“常閉”/“常開”流體晶體管，相比剛性機(jī)械手，這種材料組成的易制造、易操控、更靈活，控制不大點(diǎn)的游戲按鍵玩起超級馬里奧完全沒問題。

流體晶體管：一種在室溫下呈液態(tài)的金屬合金，將其注入橡膠后被制成像天然皮膚一樣柔軟和富有彈性的晶體管。

使用流體晶體管的另一個好處是，不用給每個手指都配備控制線，只需給予壓力變化每個手指就都能獨(dú)立運(yùn)動（有的機(jī)械手只能四根手指一起聯(lián)動）。

而之所以能通關(guān)超級馬里奧游戲，是通過研究人員設(shè)計(jì)的一個集成流體電路，再通過控制程序來設(shè)置不同的壓力值從而控制整個機(jī)械手進(jìn)行按鍵運(yùn)動。

比如當(dāng)施加低壓力時，食指就會按鍵使馬里奧前行，施加高壓則會讓馬里奧跳躍，中壓為奔跑。

下圖為手指的內(nèi)部構(gòu)造，由流體晶體管和可浮動的圓盤組成，通過內(nèi)部液態(tài)合金的流動來控制電路的打開與關(guān)閉。

△ B為正向流動電路，C為反向，D為壓力與流向的關(guān)系

簡單來說，隨著施加壓力的大小變化，手指內(nèi)部流體晶體管里的流體會跟著發(fā)生變化，從而影響可浮動圓盤的位移大小，不同的膨脹度會給指尖施加不同的向下運(yùn)動的力，最終控制電路完成手指動作。

而之所以選擇玩超級馬里奧游戲來測試效果，研究人員表示：

這并不僅僅是為了懷舊，同時也是出于科學(xué)考量。因?yàn)檫@個游戲的時間安排與關(guān)卡構(gòu)成是固定的，只需要根據(jù)預(yù)編程的動作來計(jì)時機(jī)械手的操作時間就可以比較與衡量它的性能。

也可以說玩超級馬里奧是一種評估軟體機(jī)械手性能的新方法。

不過，軟關(guān)節(jié)組件在執(zhí)行“充氣”和“放氣”過程時會出現(xiàn)時間上的延遲，因此在設(shè)計(jì)程序時需將這個因素考慮在內(nèi)。

幾個小時就能打印出來一只

另一個優(yōu)點(diǎn)是，不需要數(shù)天數(shù)周，這樣一只機(jī)械手幾個小時就可以完成3D打印。

他們使用了PolyJet3D打印技術(shù)，以逐行、逐層的方式進(jìn)行流體通道和軟管關(guān)節(jié)等的打印。

PolyJet以更接近2D噴墨印刷的方式工作，擠出機(jī)在印刷床上沉積所選擇的光聚合物材料的微小液滴，然后用紫外光固化?？纱蛴〕鲎匀还饣谋砻?，這意味著可以大大減少后期處理中進(jìn)行額外的打磨或拋光的工作量。

打印完成后，只需要花上十多分鐘的時間將水溶性支架材料手動去除，就可以得到最終產(chǎn)品。

而相較于傳統(tǒng)的剛性機(jī)器人，軟體機(jī)器人/機(jī)械手往往具有較高的安全性和靈活性，可以做到一些剛性機(jī)器人做不到的操作，這也激發(fā)了不少人的興趣來研究如何將其應(yīng)用于假肢和生物醫(yī)學(xué)設(shè)備等方面。

據(jù)估算，這個機(jī)械手的打印成本大約100美元。團(tuán)隊(duì)將他們的打印方法開源，希望可以加速該領(lǐng)域的發(fā)展。

論文地址：

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

參考鏈接：

https://arstechnica.com/science/2021/07/this-3d-printed-soft-robotic-hand-beat-the-first-level-of-super-mario-bros/?comments=1

— 完 —

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原標(biāo)題：《3根機(jī)械手指打《超級馬里奧》登上Science子刊》

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