水母状机器人有一天可以清理世界海洋

世界大部分地区都被海洋覆盖，不幸的是，海洋污染严重。在这些非常敏感的生态系统中——尤其是在珊瑚礁周围——对抗垃圾堆的策略之一是使用机器人来掌握清理工作。然而，现有的水下机器人大多体积庞大，具有刚体，无法在复杂和非结构化环境中进行探索和采样，并且由于电动机或液压泵而产生噪音。为了获得更合适的设计，斯图加特马克斯普朗克智能系统研究所 (MPI-IS) 的科学家们从大自然中寻找灵感。他们配置了一个受水母启发、多功能、节能且几乎无噪音的手掌大小的机器人。Jellyfish-Bot 是 MPI-IS 的物理智能和机器人材料部门之间的合作。“A Versatile Jellyfish-like Robotic Platform for Effective Underwater Propulsion and Manipulation ”发表在《科学进展》杂志上。

为了制造机器人，该团队使用了电流通过的电液执行器。执行器充当为机器人提供动力的人造肌肉。围绕这些肌肉的是气垫以及柔软和坚硬的部件，可以稳定机器人并使其防水。这样，通过执行器的高压就不会接触到周围的水。电源通过细线定期供电，使肌肉收缩和扩张。这使机器人能够优雅地游泳并在其身体下方产生漩涡。

“当水母向上游动时，它可以在其身体周围产生水流时捕捉沿途的物体。这样，它也可以收集养分。我们的机器人也在它周围循环水。此功能在收集废物颗粒等物体时很有用。然后它可以将垃圾运送到地表，然后在那里进行回收。它还能够收集易碎的生物样本，例如鱼卵。同时，对周边环境无负面影响。与水生物种的互动是温和的，几乎没有噪音”，王天禄解释道。他是 MPI-IS 物理智能系的博士后，也是该出版物的第一作者。

他的合著者来自机器人材料部门的 Hyeong-Joon Joo 继续说道：“据估计，70% 的海洋垃圾会沉入海底。塑料占这些垃圾的 60% 以上，需要数百年才能降解。因此，我们看到迫切需要开发一种机器人来操纵垃圾等物体并将其向上运输。我们希望水下机器人有一天可以帮助清理我们的海洋。”

水母机器人能够在没有物理接触的情况下移动和捕获物体，可以单独运行或与多个一起运行。每个机器人的工作速度都比其他同类发明快，速度可达 6.1 厘米/秒。此外，Jellyfish-Bot 只需要大约 100 mW 的低输入功率。如果绝缘机器人的聚合物材料有朝一日被撕裂，对人类和鱼类来说都是安全的。同时，机器人发出的噪音无法与背景水平区分开来。通过这种方式，Jellyfish-Bot 可以在不干扰环境的情况下与环境进行温和的交互——就像它的自然对应物一样。

机器人由几层组成：一些使机器人变硬，另一些用于使其漂浮或绝缘。另一个聚合物层用作浮动表皮。称为HASEL 的电动人造肌肉嵌入到不同层的中间。HASEL 是液体电介质填充的塑料袋，部分被电极覆盖。在电极上施加高电压会使其带正电，而周围的水则带负电。这会在带正电的电极和带负电的水之间产生一种力，来回推动小袋内的油，导致小袋收缩和放松——类似于真正的肌肉。HASEL 可以承受带电电极产生的高电应力，并通过绝缘层防水。这一点很重要，因为 HASEL 的肌肉以前从未用于建造水下机器人。

第一步是开发带有一个电极、六个手指或手臂的 Jellyfish-Bot。在第二步中，该团队将单个电极分成不同的组以独立驱动它们。

“我们通过将四个手臂用作螺旋桨，另外两个用作抓手来实现抓取物体。或者我们只驱动一部分手臂，以便将机器人转向不同的方向。我们还研究了如何操作多个机器人的集合。比如我们带了两个机器人，让他们去拿一个口罩，这对于一个机器人来说是非常困难的。两个机器人还可以合作搬运重物。然而，此时，我们的 Jellyfish-Bot 需要一根电线。如果我们真的想有一天在海洋中使用它，这将是一个缺点”，Hyeong-Joon Joo 说。

也许电线为机器人供电很快就会成为过去。“我们的目标是开发无线机器人。幸运的是，我们已经朝着这个目标迈出了第一步。我们将电池和无线通信部分等所有功能模块都整合在一起，以实现未来的无线操作。”王天禄继续说道。该团队在机器人顶部安装了一个浮力装置，在底部安装了电池和微控制器。然后，他们带着他们的发明在马克斯·普朗克斯图加特校区的池塘里游泳，并成功地驾驭了它。然而，到目前为止，他们无法指挥无线机器人改变航向并逆向游动。

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