3根機械手指打《超級馬里奧》登上Science子刊

2021-08-04 03:03:32

見過了機械手捏易拉罐、盤「核桃」、玩魔方……

見過它玩超級馬里奧嗎？

下面就有一隻只有3根手指頭的機械手，「氣定神閒」地操縱著遊戲手柄順利通過馬里奧第一關。

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ps.是不是有點看不清手指的按動，放大版：

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雖然這個操作和玩魔方比起來沒有那麼炫酷，但你仔細看，此機械手並非由傳統的金屬等材料製成，而是由塑料、橡膠等材料通過3D打印製造的一個「軟體」機械手。

是的，軟體的，裡面不包含任何金屬機械手的裝置。

那它是如何控制「自己」從而通關遊戲的呢？

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一隻流體控制的機械手

也許你猜到了，就是靠流體控制。

它用到了一些3D流體電路元件，包括流體二極體、「常閉」/「常開」流體電晶體，相比剛性機械手，這種材料組成的易製造、易操控、更靈活，控制不大點的遊戲按鍵玩起超級馬里奧完全沒問題。

流體電晶體：一種在室溫下呈液態的金屬合金，將其注入橡膠後被製成像天然面板一樣柔軟和富有彈性的電晶體。

使用流體電晶體的另一個好處是，不用給每個手指都配備控制線，只需給予壓力變化每個手指就都能獨立運動（有的機械手只能四根手指一起聯動）。

而之所以能通關超級馬里奧遊戲，是通過研究人員設計的一個整合流體電路，再通過控制程式來設定不同的壓力值從而控制整個機械手進行按鍵運動。

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比如當施加低壓力時，食指就會按鍵使馬里奧前行，施加高壓則會讓馬里奧跳躍，中壓為奔跑。

下圖為手指的內部構造，由流體電晶體和可浮動的圓盤組成，通過內部液態合金的流動來控制電路的開啟與關閉。

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△B為正向流動電路，C為反向，D為壓力與流向的關係

簡單來說，隨著施加壓力的大小變化，手指內部流體電晶體裡的流體會跟著發生變化，從而影響可浮動圓盤的位移大小，不同的膨脹度會給指尖施加不同的向下運動的力，最終控制電路完成手指動作。

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而之所以選擇玩超級馬里奧遊戲來測試效果，研究人員表示：

這並不僅僅是為了懷舊，同時也是出於科學考量。因為這個遊戲的時間安排與關卡構成是固定的，只需要根據預程式設計的動作來計時機械手的操作時間就可以比較與衡量它的效能。也可以說玩超級馬里奧是一種評估軟體機械手效能的新方法。

不過，軟關節元件在執行「充氣」和「放氣」過程時會出現時間上的延遲，因此在設計程式時需將這個因素考慮在內。

幾個小時就能打印出來一隻

另一個優點是，不需要數天數週，這樣一隻機械手幾個小時就可以完成3D列印。

他們使用了PolyJet3D列印技術，以逐行、逐層的方式進行流體通道和軟管關節等的列印。

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PolyJet以更接近2D噴墨印刷的方式工作，擠出機在印刷床上沉積所選擇的光聚合物材料的微小液滴，然後用紫外光固化。可打印出自然光滑的表面，這意味著可以大大減少後期處理中進行額外的打磨或拋光的工作量。

列印完成後，只需要花上十多分鐘的時間將水溶性支架材料手動去除，就可以得到最終產品。

而相較於傳統的剛性機器人，軟體機器人/機械手往往具有較高的安全性和靈活性，可以做到一些剛性機器人做不到的操作，這也激發了不少人的興趣來研究如何將其應用於假肢和生物醫學裝置等方面。

據估算，這個機械手的列印成本大約100美元。團隊將他們的列印方法開源，希望可以加速該領域的發展。