软体机器人

利用柔软材料制作的机器人

软体机器人是一种新型柔软机器人，能够适应各种非结构化环境，与人类的交互也更安全。机器人本体利用柔软材料制作，一般认为是杨氏模量低于人类肌肉的材料；区别于传统机器人电机驱动，软体机器人的驱动方式主要取决于所使用的智能材料；一般有介电弹性体（DE）、离子聚合物金属复合材料（IPMC）、形状记忆合金（SMA）、形状记忆聚合物（SMP）等等，从响应的物理量暂时分为如下几类：电场、压力、磁场、化学反应、光、温度。科学家依此设计了各种各样的软体机器人，大多数软体机器人的设计是模仿自然界各种生物，如蚯蚓、章鱼、水母等。

起源

科学家们从自然界汲取灵感，创造出远比那些传统的金属制同类更加灵活和多功能的机器人。

美国哈佛大学的科学家们制造了一种新型柔韧机器人，它的身子非常柔软，可以像蠕虫一样依靠蠕动在非常狭窄的空间里活动。这个哈佛大学科研小组由化学家乔治怀特塞兹(George M. Whitesides)率领，他们从鱿鱼，海星和其它没有坚硬骨骼的动物身上获得启发，研制了一种小型的，有四条腿的橡皮机器人。

最近几年，科学家们一直在尝试和一些黏糊糊的，有时候甚至看上去模样古怪的机器人设计概念打交道，他们希望能制造出一种新型机器人，它们将能够钻进那些依靠人力或传统机器人难以企及的地方展开工作，如地震灾区救援或者战场侦察等等。在一份邮件采访中，美国麻省理工学院的机器人专家马修沃尔特(Matthew Walter)说：“这种软体机器人的柔韧性让它们能够得以进入传统机器人无法抵达的狭小空间。”

今年早些时候，一个来自塔夫茨大学的小组展示了由他们开发的一种体长仅10厘米的蠕虫机器人，它采用硅氧橡胶制成，可以爬进一个小球并在里面推动小球向前滚动。

而此次哈佛大学的此项研究是在美国国防部的研究资助项目下进行的，有关进展本周一在《美国国家科学院院报》上作了发表。这个软体机器人体长约12.7厘米，制造的过程花费了两个月。其四肢可以各自独立操控，通过人工或计算机自动控制将压缩空气输入其肢体内进行相应驱动。这让这种新型机器人具备了无法比拟的灵活性，可以自由地在地面爬行或者滑行。

研究人员对它进行了柔韧性测试：他们将一块玻璃板置于距离地面不到1.9厘米的高度，并让这个小机器人尝试爬进底下。结果科学家们成功地控制这个机器人15次来回穿过了这个极其狭小的缝隙。并且在大多数情况下，它穿过整个玻璃板底部所花费的时间还不到1分钟。

研究人员计划进一步对其速度性能进行改进，不过他们对它没有因为不断发生的热胀冷缩而损坏感到欣慰。哈佛大学的博士后罗伯特谢普赫德(Robert Shepherd)说：“它足够坚强。”他指出这种机器人可以适应各种表面材料并在上面正常运行，包括毛毡，沙砾，泥浆，甚至果冻。不过它也有缺陷：目前机器人必须依靠一条外接电源线供电，科学家们希望找到一种方法能够实现电源内置，如此方能让它投入实际应用之中。

塔夫茨大学的神经生物学家巴里特里莫(Barry Trimmer)是该大学蠕虫机器人项目团队成员，他说：“在软体机器人领域还有很多挑战需要面对，对于这些问题的解决没有捷径可走。”

机器人专家卡莫马吉迪(Carmel Majidi)在卡内基梅隆大学领导软体机械实验室，他认为尽管这一成果是基于之前的研究基础，但是仍然极具创新。他说：“这是一种简单的概念，但是看起来他们似乎很好的模拟了自然界的生物运动模式。”

简介

软体充气机器人模型并不像机械机器人那样先进，但是它们的柔软身体中不包含任何电子装置。充气柔体机器人设计方是美国国防部高级研究计划署(DARPA)的科学家，他们认为这种软体机器人将是最好的工具。

美国波士顿大学化学家陈新(音译)是该研究小组成员之一，他在2012年2月9日出版的《高级功能材料报》中描述称，如果你想穿过一个弯曲的管子或者碎石，以及其他难以抵达的粗糙崎岖环境表面，你将需要软体机器人。这款机器人能够完成许多传统机械机器人所无法实现的功能，抵达一些特殊的环境。

传统主流机器人是采用金属和其他硬质材料制造，装载连接电子仪器和元件。它们可以制造汽车、携带较重的物体装置，甚至拆卸炸弹。然而，在一些特殊环境中，机器人的柔体结构是至关重要的。

原理

制造软体机器人使用的是怀特赛德斯团队发明的软光刻技术。其生产过程是：借助电子元件让光照射模具的表面，致使覆盖在图案上一层薄薄的高分子膜曝光，以此溶解没有图案的区域。怀特赛德斯说：“这是一个非常成功的技术，它具有很高的分辨率，相当小巧，但在批量化生产之前成本比较昂贵。”

软光刻技术是以柔软聚合物模具为载体，这是一个相对比较简单的制造过程。怀特赛德斯说：“我们可以使用平整的表面进行投射或输出，也可以封住凹面以形成通道。”借助微流体技术作用于通道，从注入空气到产生运动，怀特赛德斯团队的设计概念得到来提升：“考虑到通道的结构和空气泵，这意味着它的弯曲可以成为软体机器人的一个特性。”

设计

工程师现在从自然角度来考虑设计机器人，例如：基于昆虫、鸟类、蛇、鱼，甚至狗的特征，来设计机器人模型。科学家已成功研制出空气动力橡胶机器人，遇到障碍物时能够像蛇一样伸缩起伏身体。

从软体机器人的四肢、躯干以及内部格局来看，看似有点像一朵简化的雪花，其中央“脊梁管”连接任意一个通道（分支）；机器人有两层聚合物，一层延伸甚广，一层坚不可摧。当空气注入四肢后，具有弹性的腔体会像气球一样扩张，但腔体材料却不舒展且四肢蜷缩。当弯曲时，借助肢体与周围摩擦力作用产生的横向推力，整个身体可以不断向前推进（在肢体驱动下，机器人可以爬行）。

怀特赛德斯说：“这不是一个煞费苦心的概念，但实现这种运动是很不寻常的。在这些看似（四肢）很简单的驱动下，从中你会看到非常有趣的运动。”他指出，虽然这种机器人的运动和构造确实很像海星似的软体动物，但目的是模仿它的功能，而不是其机制。

材料

这种新型柔体机器人可采用合成纸质材料、纤维织物和金属丝增强结构，具有硅胶外形。当它们模塑成型之后，该机器人与复杂的压缩气体源进行连接，例如：空气注射泵。

功能

软体机器人具有一些特殊的折叠效果，使用正确的方法可以折叠，在适当的地点粘合。

研究小组还使用汽缸来抽吸空气至球体、管状结构，来作为“刚硬”管材。未来研究人员希望在软体机器人的基础上增加配线和电子组件，从而使它更具功能性。

世界记录

2021年3月3日，浙江大学公布了其在软体机器人方面的最新研究成果，学校的研究人员利用狮子鱼的灵感设计了这一机器人，并将其部署到马里亚纳海沟10900米的深海。创造了软体机器人正常运转最大深度的吉尼斯世界纪录。

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