Science Robotics | 意大利IIT具有自适应行为的软体生长机器人
自主导航机器人需要携带大量感应器和控制器，这限制了其体积和计算复杂度。生长型机器人可以通过顶端适应性添加材料来构建身体，在非结构化环境中实现安全导航。这是替代飞行、轮式或腿式机器人的另一选择。
生长型机器人可在地面和地下环境中导航，也可穿过土壤等致密介质。它们也可以避开和穿过不可预测的障碍，在不同地形中机动。它们通过内在束缚解决能量供应问题。
尽管有这些创新，但是利用增材制造实现有效运动的生长型机器人在非结构化 3D 环境中仍面临挑战。它们的机械负载有限，跨越空隙的能力也有限。另外，生长型机器人目前在面对不可预测环境中的自主决策能力也较弱。
相比之下，某些生物可以在具有挑战性的环境中行动，它们有细长的负载体和一个决策端点。植物就是一个例子，它们在变化多端的环境中展现定向生长和对环境线索的适应。
如果模仿植物的感知和驱动机制，将有利于生长型机器人的形态适应。这将实现其在 3D 空间的自适应扩展，绕过支撑，穿过空隙，并根据环境微调几何形状和机械性能。然而，这种由在线多感知驱动的自适应运动的生长型机器人还有待进一步探索。
FiloBot是由意大利技术研究所（Istituto Italiano di Tecnologia）的科学家在埃马努埃拉-德尔多托雷（Emanuela Del Dottore）的领导下开发的一款机器人。其研究成果最近已在《科学机器人学》（Science Robotics）杂志上发表。通过相关视频，我们可以看到FiloBot独特的延时生长过程。
FiloBot的设计灵感来源于攀援植物的生长方式，它能够像攀援植物的卷须一样，根据光源和重力的变化来调整自己的生长方向。这种设计使得FiloBot能够在复杂且难以预测的环境中有效导航，特别是在非结构化的环境中，如密集森林或杂乱区域。为了实现这一功能，FiloBot采用了添加制造技术，特别是熔融沉积建模，来构建其生长结构。
FiloBot的结构由三部分组成：一个锥形头作为顶部、一个电源/基站作为底部，以及一个作为茎状体的中间部分。随着生长过程的进行，茎状体会逐渐变长。然而，这个生长过程并非简单的添加材料。
FiloBot通过其头部从基站上的线轴上拉取3D打印热塑塑料丝。这些塑料丝穿过头部的加热挤出机，挤出机会相对于机器人机身缓慢旋转。这样，机器人就能够通过连续盘绕的熔融塑料层来构建自己的身体，这些塑料层在冷却后会紧密粘合。
然而，这个过程并不是一成不变的。机器人通过光传感器、陀螺仪和其他集成在头部的电子设备来监测塑料的温度、方向和沉积速度。这使得FiloBot能够精确控制其身体的生长方向，始终保持朝向光源并远离地面。
更值得一提的是，当遇到垂直支撑物时，FiloBot能够像藤蔓绕过棚架一样自动绕过这些障碍物。这使得机器人在不需要额外力量的情况下，能够更加高效地构建强壮的身体。而当头部到达空旷空间时，身体则会变得更加坚硬和强壮，以支撑自身的重量。
FiloBot在操作过程中展现出了对环境刺激的适应能力，包括光照和重力。机器人内置的传感器能够捕捉环境中的光照和重力变化。这些传感器包括加速度计和数字颜色传感器，用于感知光的强度和方向。通过这些传感器，FiloBot能够模仿植物的光向性和向地性行为。
例如，当光照强度和方向发生变化时，机器人会相应地调整其生长方向，这与植物的向光性相似。同时，机器人还能够根据重力方向的变化来调整其生长方式，模仿植物的向地性。
FiloBot的研究成果展示了软体机器人在模仿自然界生物行为方面的巨大潜力。特别是在处理复杂和非结构化环境的导航问题上，这种技术展现出了独特的优势。
这项研究不仅为软体机器人技术的发展提供了新的思路和方法，还为未来在极端或复杂环境中的探索和监测提供了新的可能性。通过其创新的设计和功能，FiloBot展示了机器人技术与自然界生物功能相结合的未来发展方向。