一文讀懂柔性機器人，看似“柔若無(wú)骨”的背后有哪些黑科技

千奇百怪、腦洞大開(kāi)的柔性機器人，為什么一直距離市場(chǎng)有點(diǎn)遠？

有這樣一種神奇的機器人，它可以做到這樣，

像藤蔓一樣自生長(cháng)，柔軟的身體延伸運動(dòng)到各種角落；

或者像章魚(yú)一樣，整個(gè)身體沒(méi)有任何硬性的結構組織，就像《超能陸戰隊》里的大白；

當然也有模仿其他魚(yú)類(lèi)生物的水下機器人，柔軟的“魚(yú)鰭”如同真的魚(yú)兒一樣，在水中靈活運動(dòng)。

而這些看似柔弱無(wú)骨的機器人，就是我們今天的主角——柔性機器人。

何為柔性機器人？

自然界的很多生物都有自己的柔性和靈活性，從上面的幾張動(dòng)圖可以看出，柔性機器人其實(shí)就模仿了一些動(dòng)物外形。

當然我們探討的柔性機器人概念比較窄，指的是完全由柔性材料構成，沒(méi)有多余硬性結構在其中，所以柔性機器人必然具備三種特性：高靈活性、可變形性和能量吸收特性。

新加坡國立大學(xué)機械工程系教授朱建也給出過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的概念，柔性機器人的特性包括材料的柔軟性、優(yōu)良的環(huán)境適應性、超強的安全性、良好的人機互動(dòng)性等。

斯坦福大學(xué)研究人員模仿葡萄藤生長(cháng)，發(fā)明出一款新型的柔性機器人，它能像葡萄藤一樣生長(cháng)，在廢墟瓦礫中穿梭，找到被困的幸存者，甚至向他們送水。

柔性機器人 “Octobot”

哈佛大學(xué)的研究者們此前展示了他們的最新研究成果：一款章魚(yú)形狀的完全柔性機器人 “Octobot”。這款機器人全身都由軟軟的柔性材料構成，不需要外接動(dòng)力，自己就能運動(dòng)起來(lái)。

浙江大學(xué)的李鐵風(fēng)教授及其他研究人員此前在《Science》發(fā)表了一篇名為《Fast-moving soft electronic fish（快速移動(dòng)的電子魚(yú)）》的文章，闡述了他們研發(fā)的一種柔性機器人，柔性的特征使得這條“電子魚(yú)”得以在狹小的空間內航行，拓寬了它們能夠行駛的空間。

基于折紙設計的柔性機器人

最近，來(lái)自凱斯西儲大學(xué)的研究人員則開(kāi)發(fā)了一種基于折紙設計的柔性機器人。

無(wú)論是國外的麻省理工、哈佛大學(xué)還是國內的清華、浙大，研究學(xué)者們都在尋求柔性機器人技術(shù)的突破口。毫不夸張的說(shuō)，如果想要同時(shí)滿(mǎn)足這些特性，技術(shù)難題很多，所以這也是為什么柔性機器人的技術(shù)一直處在實(shí)驗樣機階段。

柔與剛不可兼得？如何讓機器人的身體柔若無(wú)骨

為什么一直沒(méi)有成熟的柔性機器人推向市場(chǎng)，這就不得不提到它的技術(shù)難點(diǎn)。

為了能夠達到高靈活性和可變形性，柔性機器人的構成材料、驅動(dòng)方式都很有講究，傳統的剛性連接器和外殼完全不適用。

首先是柔性機器人的構成材料上，既要極易變形彎曲的柔軟度，也必須要考慮到它的驅動(dòng)方式，目前比較常見(jiàn)的是通過(guò)3D打印材料來(lái)制作柔性機器人的“外殼”，例如用水凝膠制造出柔軟的膠狀機器人。

水凝膠材質(zhì)的軟體機器人

MIT的一個(gè)研究團隊就做了嘗試性的試驗，他們用 3D 打印和激光切割打造出水凝膠的外殼，實(shí)現“身體”的“柔韌性”，然后通過(guò)液壓驅動(dòng)的方式驅動(dòng)機器人的運動(dòng)。

再就是通過(guò)一些特殊的材料來(lái)打造類(lèi)似于人造肌肉的材料，像電子動(dòng)力聚合物（EAP）、形狀記憶合金這樣的物質(zhì)都是人造肌肉的良好材料，以形狀記憶合金為例，它可以根據溫度自動(dòng)改變形狀，并且能夠記住這些形狀，實(shí)現彎曲、變短、抓取物體等動(dòng)作。

哈佛大學(xué)在這方面有不少研究突破，他們開(kāi)發(fā)出一種以碳納米管為基礎的人造肌肉，其中包含了“介電彈性體”，當電場(chǎng)作用于軟性材料時(shí)，就會(huì )發(fā)生變形。不過(guò)，電場(chǎng)場(chǎng)強方面會(huì )比較難控制。

除此之外，還有一種新興的功能材料室溫液態(tài)金屬，這種材料在 電、磁、力、熱的作用下，可以在不同的形態(tài)和運動(dòng)模式上任意切換。中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員、清華大學(xué)教授劉靜在其撰寫(xiě)的室溫液態(tài)金屬綜述文章中也曾寫(xiě)道，“液態(tài)金屬可變形機器效應的發(fā)現，有望促成柔性機器理論與技術(shù)取得重大突破。”

電力驅動(dòng)or氣動(dòng)驅動(dòng)，都還不是盡善盡美的解決方案

而在驅動(dòng)方式上，從材料的組成可以看出其實(shí)大部分還是通過(guò)電動(dòng)驅動(dòng)，相比于其他驅動(dòng)方式，電動(dòng)驅動(dòng)器擁有變形大、能量密度高、結構緊湊、重量輕、價(jià)格低和噪音小的特性。但是這種驅動(dòng)方式也有很大的隱患，機器人的運動(dòng)精度控制上有難度，另一方面，如果驅動(dòng)機器人運動(dòng)所需的電場(chǎng)強度過(guò)高，也會(huì )影響它在一定范圍內的運動(dòng)。

當然，還有一種氣動(dòng)驅動(dòng)方式，之前我們提到的哈佛大學(xué)推出的柔性章魚(yú)機器人Octobot ，就是通過(guò)簡(jiǎn)單的過(guò)氧化氫分解化學(xué)反應實(shí)現運動(dòng)，作為“燃料”的過(guò)氧化氫遇到鉑催化劑會(huì )產(chǎn)生水和氧氣，而氧氣增多會(huì )讓章魚(yú)體內的壓強加大，經(jīng)過(guò)反復的切換讓其動(dòng)起來(lái)。

但是和電動(dòng)驅動(dòng)相比，這種方式的運動(dòng)速度會(huì )比較慢，而且柔性機器人的變形也會(huì )受到限制。

雖然應用前景廣泛，但目前還在紙上談兵階段

盡管柔性機器人的研究難點(diǎn)很多，但它也是許多高校實(shí)驗室研發(fā)的一大重點(diǎn)，因為從實(shí)用性來(lái)考量的話(huà)，這種柔性機器人非常適合一些“極端”的場(chǎng)景下，比如受災現場(chǎng)的救援：它可以進(jìn)入到一些危險、狹小的地方；還有海底探索上，柔性機器人可以潛入到像珊瑚礁這樣的海底生物內，在不傷害它們的同時(shí)去探索更多的海底秘密。

哈佛大學(xué)發(fā)布的可植入軟體機器人

醫療方面，柔性機器人也是一大利器，如果醫生想要針對人體內的某個(gè)器官對癥下藥，就可以通過(guò)柔性機器人實(shí)現，科羅拉多大學(xué)博爾德分校實(shí)驗室的機械工程師Franck Vernerey就研制出了專(zhuān)門(mén)用于醫藥治療的軟體機器人。另外，在他還看來(lái)，醫藥領(lǐng)域應用的機器人，只能以軟體蠕動(dòng)的形式構造。

結語(yǔ)：

簡(jiǎn)單梳理柔性機器人的概念之后，鎂客君非常期待它落地應用后給我們生活帶來(lái)的變革性變化，而文中列舉的很多實(shí)驗室案例也表明柔性機器人的研究一直在進(jìn)行中，假以時(shí)日，等待相關(guān)技術(shù)的成熟，必然會(huì )在機器人行業(yè)大放異彩。

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