不用电路控制的机器人：加州大学开发出气动逻辑系统，能用意想不到的方式弹钢

“脑袋”里只有空气，就能弹奏出 8 小节的乐章。

这个软体机器手弹钢琴，核心居然全靠空气驱动。

最近，加州大学河滨分校的学者们开发出了一个气动随机存取存储器(RAM)，并成功用它操纵软体机器人演奏了一首曲子。

用气流阀取代电子晶体管，用气动逻辑取代计算机逻辑，研究人员成功让这个机器人摆脱了传统机电元件的控制系统。

连接其“手”、“脑”的也不再是电线，变成了透明的气流管道。

它们一端连接着气动 RAM，另一端连接着机器人的手指。

通过改变管道内的气压，就能控制机器人手指按下琴键。

从单个音符、和弦到演奏一整首曲子，这个机器人都能分分钟拿下。

而这都还只是气动 RAM 小试牛刀罢了。

据研究人员介绍，一个 10 位的气动 RAM，就能实现 900 个独立执行器能完成的任务。

这有效解决了目前很多气动机器人依旧使用机电结构的困境。

而且它的体积更小、重量更轻，能够大幅降低气动软体机器人的成本、尺寸和功率需求。

要知道，充气软体机器人的使用前景是非常广阔的。

由于其柔软性、安全性更高，在执行精细任务上比传统刚性机器人具备更大优势。

比如人畜无害的大白 (—)，就是一个非常典型的充气机器人。

这无疑打破了软体机器人在使用场景上的许多局限性，目前该研究已在开放性期刊《PLOS One》上发表。

气动 RAM 操控更多通路

想要用气体让机器人弹奏出音乐，主要依靠两个部分：气动 RAM 和单片隔膜阀。

气动 RAM 其实是一个用微流控阀代替晶体管的随机存取存储器。

能够实现记忆、维持机器人执行器状态，主要靠的就是这个微流控阀，

它最初是被用在微流控芯片上控制液体流动，这些阀门能够在气流供应断开时，仍旧保持压力差存在。

而且这些阀门还可以组成复杂的密集阵列，来执行很多高级操作。

比如在这个弹钢琴的软体机器人身上，研究人员制作了一个八位的非易失性 RAM。

与传统电路中单个通路控制单个执行器不同，使用气动 RAM 可以用 n 个通路控制 2 的 n-1 次方个执行器。

也就是说，同样 4 个通路的情况下，气动 RAM 可以控制 8 个机械手指的独立性操作。

那么机械手指是如何弯曲并敲下琴键的呢？

这时就需要气流登场了。

气动 RAM 所控制的单个通路上，都有一个隔膜阀。

它主要由输入通道、输出通道和控制通道组成，中间有一个可移动的硅膜。

通过改变控制通道中的气压，让硅膜移动，从而控制气阀中气流的流动。

当控制通道为真空状态时，硅膜就会被拉入控制通道，与此同时输入-输出通道打开，气流通过。这就表示为信号“1”，机械手指此时会弯曲。

当控制通道中有气压时，硅膜堵死整个通道，此时表示信号“0”，手指则为舒展状态。

考虑到传统单片隔膜阀的气流速度不够高，大型或移动速度快的机器人无法使用，研究人员还对此进行了改进。

他们使用了多个规格相同的输入、输出通道，一方面消除了产生意外通路的可能，另一方面提高了气流通过速度。

通过改变不同通道内的气压，研究人员可以机器人在钢琴上演奏出音符、和弦，甚至是一整首歌曲。

值得一提的是，这个机器人的整套系统中，只有抽取真空的泵是用了电池的，其他部分没有任何机电硬件，安全性很高。

而且一个 10 位的气动 RAM 就能包含 2046 个通路，每个阀门的面积仅为 7 平方毫米，这使得一个 10 位的气动 RAM 差不多只有一个智能手机屏幕那么大。

由于其安全、轻便的特性，将来可用于低龄残障儿童的可穿戴设备上。

One More Thing

值得一提的是，今年 2 月加州大学圣地亚哥分校的研究人员们也研发出了一款无电子元件、由气体驱动的软体机器人，并登上《Science Robotics》的封面。

这个机器人的每条腿都由 3 条可伸缩的充气橡皮管制造而成，四条腿呈 X 形相连，通过充气或漏气的设计就能走起路来。

与机电组件组成的机器人比起来，轻便不少。

它的核心其是一种由软阀设计的环形振荡器。

而今年 6 月，一个充气挖掘机器人也登上《Science Robotics》封面。

看来，气体软体机器人真的是一个热门研究领域啊！

说不定，有朝一日我们真的能看到现实版的“大白”呢～

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