多伦多大学米西索加分校(University of Toronto Mississauga)连续体机器人实验室(Continuum Robotics Lab)主任杰西卡·伯格纳-卡尔斯(Jessica Burgner-Kahrs)和她的团队正在制造非常细长、灵活、可扩展的机器人,直径只有几毫米,用于外科手术和工业。你可以称之为“动物机器人”。
与类人机器人不同的是,所谓的连续体机器人具有长长的、没有四肢的身体——和蛇一样——这让它们能够到达难以到达的地方。
假设一位神经外科医生需要切除脑瘤。使用传统的、严格的手术工具,外科医生必须沿着一条直路进入大脑,以到达癌变的肿块,并冒着刺穿并损坏重要组织的风险。
伯格纳-卡尔斯是密西沙加大学数学和计算科学副教授,她设想有一天,她的蛇形机器人在外科医生的指导下,能够绕着重要组织走一条蜿蜒的路径,但仍能到达精确的手术部位。以前不能手术的脑瘤可能突然可以手术。
她说:“这可能会彻底改变外科手术。”
穿过机器人“身体”的线连接到每个身体部分末端较厚的磁盘上。这些线被拉动来控制机器人的各个部分,并向不同的方向弯曲它们。每个磁片内的磁体呈交变极性排列,保证了无论机器人的段长如何,磁片之间都保持等距。这有助于机器人按要求弯曲,并以“跟随领导者”的运动穿过曲线路径——蛇形的“身体”跟随“头部”的路径。该实验室已经开发出一种夹在两层硅胶之间的重叠鳞片鞘。当真空作用于硅树脂层之间时,通常灵活的机器人会变得僵硬。
博格纳-卡尔斯是一名计算机科学家和机械工程师,她说她的实验室还在开发一种更先进的连续体机器人,这种机器人配备了传感器,可以部分自主驾驶。外科医生必须用电脑远程操作机器人,但机器人应该知道如何避开障碍物,并识别自己的目的地。例如,外科医生可以使用这些机器人从腹部收集组织样本,或者直接将抗癌药物注射到肺部的肿瘤中。
它在人体之外也有用途。
连续介质机器人可以滑过喷气发动机的内部,检查发动机是否损坏。实验室正在试验更加灵巧和可扩展的新型表单。最近的一项设计,具有潜在的搜索和救援应用,灵感来自折纸:它非常轻,可以比其他设计拉长10倍。
机器人可以配备摄像头,让操作员看到机器人在哪里。可以根据需要安装微型手术工具,包括镊子、激光或抽吸装置。
新一代连续体机器人
为了开发可以安全用于各种医疗和其他应用的机器人,Burgner-Kahrs旨在回答以下问题:
我们怎样才能控制连续介质机器人,让它们在受限和曲折的环境中更精确地移动?
我们怎样才能设计出更直观的人机界面呢?我们能实现一个完全自主的机器人吗?
如何使用多个连续体机器人协同完成任务?