不用電路控制的機器人！加州大學開發出氣動邏輯系統，能用意想不到的方式彈鋼琴
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來源：量子位
明敏 發自 凹非寺
量子位 報道 | 公眾號 QbitAI
“腦袋”里只有空氣，就能彈奏出8小節的樂章。
這個軟體機器手彈鋼琴，核心居然全靠空氣驅動。
最近，加州大學河濱分校的學者們開發出了一個氣動隨機存取存儲器（RAM），并成功用它操縱軟體機器人演奏了一首曲子。
用氣流閥取代電子晶體管，用氣動邏輯取代計算機邏輯，研究人員成功讓這個機器人擺脫了傳統機電元件的控制系統。
連接其“手”、“腦”的也不再是電線，變成了透明的氣流管道。
它們一端連接著氣動RAM，另一端連接著機器人的手指。
通過改變管道內的氣壓，就能控制機器人手指按下琴鍵。
從單個音符、和弦到演奏一整首曲子，這個機器人都能分分鐘拿下。
而這都還只是氣動RAM小試牛刀罷了。
據研究人員介紹，一個10位的氣動RAM，就能實現900個獨立執行器能完成的任務。
這有效解決了目前很多氣動機器人依舊使用機電結構的困境。
而且它的體積更小、重量更輕，能夠大幅降低氣動軟體機器人的成本、尺寸和功率需求。
要知道，充氣軟體機器人的使用前景是非常廣闊的。
由于其柔軟性、安全性更高，在執行精細任務上比傳統剛性機器人具備更大優勢。
比如人畜無害的大白(●—●)，就是一個非常典型的充氣機器人。
這無疑打破了軟體機器人在使用場景上的許多局限性，目前該研究已在開放性期刊《PLOS One》上發表。
氣動RAM操控更多通路
想要用氣體讓機器人彈奏出音樂，主要依靠兩個部分：氣動RAM和單片隔膜閥。
氣動RAM其實是一個用微流控閥代替晶體管的隨機存取存儲器。
能夠實現記憶、維持機器人執行器狀態，主要靠的就是這個微流控閥，
它最初是被用在微流控芯片上控制液體流動，這些閥門能夠在氣流供應斷開時，仍舊保持壓力差存在。
而且這些閥門還可以組成復雜的密集陣列，來執行很多高級操作。
比如在這個彈鋼琴的軟體機器人身上，研究人員制作了一個八位的非易失性RAM。
與傳統電路中單個通路控制單個執行器不同，使用氣動RAM可以用n個通路控制2的n-1次方個執行器。
也就是說，同樣4個通路的情況下，氣動RAM可以控制8個機械手指的獨立性操作。
那么機械手指是如何彎曲并敲下琴鍵的呢？
這時就需要氣流登場了。
氣動RAM所控制的單個通路上，都有一個隔膜閥。
它主要由輸入通道、輸出通道和控制通道組成，中間有一個可移動的硅膜。
通過改變控制通道中的氣壓，讓硅膜移動，從而控制氣閥中氣流的流動。
當控制通道為真空狀態時，硅膜就會被拉入控制通道，與此同時輸入-輸出通道打開，氣流通過。這就表示為信號“1”，機械手指此時會彎曲。
當控制通道中有氣壓時，硅膜堵死整個通道，此時表示信號“0”，手指則為舒展狀態。
考慮到傳統單片隔膜閥的氣流速度不夠高，大型或移動速度快的機器人無法使用，研究人員還對此進行了改進。
他們使用了多個規格相同的輸入、輸出通道，一方面消除了產生意外通路的可能，另一方面提高了氣流通過速度。
通過改變不同通道內的氣壓，研究人員可以機器人在鋼琴上演奏出音符、和弦，甚至是一整首歌曲。
值得一提的是，這個機器人的整套系統中，只有抽取真空的泵是用了電池的，其他部分沒有任何機電硬件，安全性很高。
而且一個10位的氣動RAM就能包含2046個通路，每個閥門的面積僅為7平方毫米，這使得一個10位的氣動RAM差不多只有一個智能手機屏幕那么大。
由于其安全、輕便的特性，將來可用于低齡殘障兒童的可穿戴設備上。
One More Thing
值得一提的是，今年2月加州大學圣地亞哥分校的研究人員們也研發出了一款無電子元件、由氣體驅動的軟體機器人，并登上《Science Robotics》的封面。
這個機器人的每條腿都由3條可伸縮的充氣橡皮管制造而成，四條腿呈X形相連，通過充氣或漏氣的設計就能走起路來。
與機電組件組成的機器人比起來，輕便不少。
它的核心其是一種由軟閥設計的環形振蕩器。
而今年6月，一個充氣挖掘機器人也登上《Science Robotics》封面。
看來，氣體軟體機器人真的是一個熱門研究領域啊！
說不定，有朝一日我們真的能看到現實版的“大白”呢~
參考鏈接：
[1]https://news.ucr.edu/articles/2021/07/16/air-powered-computer-memory-helps-soft-robot-control-movements
[2]https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0254524
[3]https://robotics.sciencemag.org/content/6/51/eaay2627
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