Robotic navigation on land, through air, and in water is well researched; numerous robots have successfully demonstrated motion in these environments. However, one frontier for robotic locomotion remains largely unexplored—below ground. Subterranean navigation is simply hard to do, in part because the interaction forces of underground motion are higher than in air or water by orders of magnitude and because we lack for these interactions a robust fundamental physics understanding. We present and test three hypotheses, derived from biological observation and the physics of granular intrusion, and use the results to inform the design of our burrowing robot. These results reveal that (i) tip extension reduces total drag by an amount equal to the skin drag of the body, (ii) granular aeration via tip-based airflow reduces drag with a nonlinear dependence on depth and flow angle, and (iii) variation of the angle of the tip-based flow has a nonmonotonic effect on lift in granular media. Informed by these results, we realize a steerable, root-like soft robot that controls subterranean lift and drag forces to burrow faster than previous approaches by over an order of magnitude and does so through real sand. We also demonstrate that the robot can modulate its pullout force by an order of magnitude and control its direction of motion in both the horizontal and vertical planes to navigate around subterranean obstacles. Our results advance the understanding and capabilities of robotic subterranean locomotion.

陆地、空中和水中的机器人导航得到了很好的研究；许多机器人已经成功地展示了在这些环境中的运动。然而，机器人运动的一个前沿领域在很大程度上仍未被探索——地下。地下导航很难做到，部分原因是地下运动的相互作用力比空气或水中的相互作用力高几个数量级，而且我们对这些相互作用缺乏强大的基础物理学理解。我们提出并测试了三个假设，这些假设来自生物观察和颗粒入侵的物理学，并使用结果为我们的挖洞机器人的设计提供信息。这些结果表明 (i) 尖端伸展减少了总阻力，其量等于身体的蒙皮阻力，(ii) 通过基于尖端的气流的颗粒曝气减少了阻力与深度和流动角度的非线性相关性，以及 (iii) 基于尖端的流动角度的变化对颗粒介质中的升力具有非单调影响。根据这些结果，我们实现了一种可操纵的、根状的软机器人，它控制地下升力和阻力，比以前的方法挖洞速度快一个数量级，并通过真实的沙子进行挖洞。我们还证明，机器人可以将其拉出力调节一个数量级，并控制其在水平和垂直平面上的运动方向，以绕过地下障碍物。我们的结果提高了对机器人地下运动的理解和能力。(iii) 基于尖端的流动角度的变化对颗粒介质中的升力具有非单调效应。根据这些结果，我们实现了一种可操纵的、根状的软机器人，它控制地下升力和阻力，比以前的方法挖洞速度快一个数量级，并通过真实的沙子进行挖洞。我们还证明，机器人可以将其拉出力调节一个数量级，并控制其在水平和垂直平面上的运动方向，以绕过地下障碍物。我们的结果提高了对机器人地下运动的理解和能力。(iii) 基于尖端的流动角度的变化对颗粒介质中的升力具有非单调效应。根据这些结果，我们实现了一种可操纵的、根状的软机器人，它控制地下升力和阻力，比以前的方法挖洞速度快一个数量级，并通过真实的沙子进行挖洞。我们还证明，机器人可以将其拉出力调节一个数量级，并控制其在水平和垂直平面上的运动方向，以绕过地下障碍物。我们的结果提高了对机器人地下运动的理解和能力。根状软机器人，它控制地下升力和阻力，比以前的方法挖洞速度快一个数量级，并且可以通过真实的沙子进行挖洞。我们还证明，机器人可以将其拉出力调节一个数量级，并控制其在水平和垂直平面上的运动方向，以绕过地下障碍物。我们的结果提高了对机器人地下运动的理解和能力。根状软机器人，它控制地下升力和阻力，比以前的方法挖洞速度快一个数量级，并且可以通过真实的沙子进行挖洞。我们还证明，机器人可以将其拉出力调节一个数量级，并控制其在水平和垂直平面上的运动方向，以绕过地下障碍物。我们的结果提高了对机器人地下运动的理解和能力。