加州大學聖地亞哥分校的工程師們發明了一種不需要任何電子裝置就能工作的四條腿軟機器人。機器人的所有功能，包括控制和運動系統，只需要一個恆定的壓縮空氣源。

由加州大學聖地亞哥分校雅各布斯工程學院機械工程教授邁克爾託利（michaelt.Tolley）領導的研究小組在2021年2月17日出版的《科學機器人》（sciencerobotics）雜誌上詳細介紹了研究結果。

託利研究小組的博士生、論文的第一作者迪倫·德羅特曼說：“這項工作代表著朝著完全自主、無需電子裝置的步行機器人邁出了重要的一步。”。

應用領域包括用於娛樂的低成本機器人，如玩具，以及可以在電子裝置無法工作的環境中工作的機器人，如MRI機器或礦井。軟機器人是特別有興趣的，因為他們很容易適應自己的環境和操作安全接近人類。

大多數軟機器人由壓縮空氣提供動力，並由電子電路控制。但這種方法需要複雜的部件，如電路板、閥門和泵——通常在機器人身體外部。這些組成機器人大腦和神經系統的部件通常體積龐大，價格昂貴。

相比之下，加州大學聖地亞哥分校的機器人是由一個重量輕、成本低的氣動迴路系統控制的，該系統由管子和軟閥組成，由機器人本身攜帶。機器人可以按指令行走，也可以對環境發出的訊號做出反應。

“透過我們的方法，你可以製造出一個非常複雜的機器人大腦，”該研究的資深作者託利說我們在這裡的重點是製造控制行走所需的最簡單的氣動神經系統。”

機器人的計算能力大致模仿哺乳動物的反射，這種反射是由脊柱而不是大腦的神經反應驅動的。研究小組的靈感來自於動物體內的神經迴路，稱為中樞模式發生器，由非常簡單的元素組成，這些元素可以產生節奏模式來控制行走和跑步等動作。

為了模擬發電機的功能，工程師們建立了一個閥門系統，充當振盪器，控制加壓空氣進入機器人四肢氣動肌肉的順序。研究人員建立了一個創新的元件，透過延遲向機器人腿部注入空氣來協調機器人的步態。機器人的步態受側頸海龜的啟發。

該機器人還配備了簡單的機械感測器——在從機器人身體伸出的吊杆末端放置充滿液體的小軟氣泡。當氣泡被壓下時，流體會翻轉機器人中的閥門，使其反轉方向。

《科學機器人》的論文建立在其他研究小組先前的工作基礎上，這些研究小組開發了基於氣動閥的振盪器和感測器，並添加了實現行走等高階功能所必需的元件。

工作原理

機器人配備了三個閥門作為逆變器，使高壓狀態在空氣動力電路中傳播，每個逆變器都有一個延遲。

機器人的四條腿各有三個自由度，由三塊肌肉提供動力。支腿向下成45度角，由三個平行連線的帶波紋管的氣動圓柱室組成。當腔室加壓時，肢體向相反方向彎曲。

因此，每個肢體的三個腔室提供行走所需的多軸彎曲。研究人員將兩腿的腔室按對角線方向配對，簡化了控制問題。

軟閥在逆時針和順時針方向之間切換肢體的旋轉方向。這個閥門被稱為鎖定雙極雙擲開關-一個有兩個輸入和四個輸出的開關，所以每個輸入有兩個相應的輸出連線。這種機制有點像是將兩條神經在大腦中交換連線。

下一步

未來，研究人員希望改善機器人的步態，使其能夠在自然地形和不平的地面上行走。這將允許機器人在各種障礙物上導航。這將需要一個更復雜的感測器網路，因此需要一個更復雜的氣動系統。

研究小組還將研究如何利用這項技術製造機器人，機器人的某些功能部分由氣動電路控制，比如行走，而傳統的電子電路則處理更高的功能。