类似水母的机器人有朝一日可以清理世界的海洋

【导读】：马克斯普朗克智能系统研究所的机器人专家开发了一种受水母启发的水下机器人，他们希望有一天能从海底收集废物。几乎无噪音的原型可以在没有物理接触的情况下将物体困在身体下方，从而在珊瑚礁等脆弱环境中实现安全交互。水母机器人可能成为环境修复的重要工具。

水母机器人收集废物颗粒。

世界大部分地区都被海洋覆盖，不幸的是，海洋受到高度污染。打击在这些非常敏感的生态系统中发现的废物堆的策略之一 - 特别是在珊瑚礁周围 - 是使用机器人来掌握清理。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的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大小机器人。Jellyfish-Bot是MPI-IS物理智能和机器人材料部门之间的合作。“用于有效水下推进和操纵的多功能水母状机器人平台”发表在《Science Advances》上。

为了制造机器人，该团队使用了电液执行器，电流通过该执行器流动。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刚性的组件，这些组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能接触周围的水。

机器人由几层组成：一些使机器人变硬，另一些用于保持其漂浮或绝缘。另一个聚合物层用作浮动蒙皮。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使其带正电荷，而周围的水则带负电荷。这会在带正电的电极和带负电的水之间产生力，将袋子内的油来回推，导致袋子收缩和放松——类似于真正的肌肉。HASEL可以承受带电电极产生的高电应力，并通过绝缘层防止水。这一点很重要，因为HASEL肌肉以前从未用于制造水下机器人。

电源周期性地通过细线供电，使肌肉收缩和扩张。这使得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，它可以沿着它的路径捕获物体，因为它在身体周围产生水流。这样，它还可以收集营养。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，然后可以在那里回收利用。它还能够收集脆弱的生物样本，如鱼卵。同时，对周围环境没有负面影响。与水生物种的互动是温和的，几乎没有噪音，“王天禄解释说。

他的合著者，来自机器人材料部门的Hyeong-Joon Joo继续说道：“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身体接触的情况下移动和诱捕物体，单独操作或与几个组合操作。每个机器人的工作速度都比其他同类发明快，速度高达6.1厘米/秒。此外，水母机器人只需要大约 100 mW 的低输入功率。

如果有一天将机器人绝缘的高分子材料撕裂，对人类和鱼类都是安全的。同时，机器人的噪音无法与背景水平区分开来。通过这种方式，水母机器人与环境温和地互动而不会干扰它——就像它的自然对应物一样。

研究的第一步是开发一个电极和六个手指或手臂的水母机器人。在第二步中，该团队将单个电极分成单独的组以独立驱动它们。

“我们通过使四个臂用作螺旋桨，另外两个用作抓手来实现抓取物体。或者我们只驱动手臂的一个子集，以便将机器人转向不同的方向。我们还研究了如何操作一个由多个机器人组成的集体。例如，我们拿了两个机器人，让它们拿起一个面具，这对于一个机器人来说是非常困难的。两个机器人也可以合作搬运重物。然而，在这一点上，我们的水母机器人需要一根电线。如果我们真的想有一天在海洋中使用它，这是一个缺点，“Hyeong-Joon Joo说。

也许为机器人提供动力的电线很快就会成为过去。“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。我们已经整合了所有功能模块，如电池和无线通信部件，以便将来进行无线操作，“王天禄继续说道。

该团队在机器人顶部安装了一个浮力单元，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，并成功地引导它。然而，到目前为止，他们无法指示无线机器人改变航向并向另一个方向游泳。了解团队，实现这一目标不会花费很长时间。