新一代柔软有弹性机器款款走来

软机器人放弃了上一代机器人骨骼的定义。这些机器没有骨头或关节等部件，可以以新的方式伸展、卷曲和挤压。

机械章鱼可以像真正的章鱼一样移动。资料来源:科学博物馆

2007年，塞西莉亚·拉斯基要求她的父亲在意大利利沃诺的海边实验室为她捕捉一只活章鱼。后者认为Laschi疯了:作为一个休闲渔民，他认为章鱼很容易抓到，所以它一定是一种非常愚蠢的动物。那么，一个研究金属和微处理器的机器人研究员到底想对这种柔软、粘稠的头足类动物做什么呢？

无论如何，老人在托斯卡纳海岸抓到了一只章鱼，并把它交给了在比萨圣安娜高中工作的女儿。Laschi和学生们把这种动物放在一个盐水罐里，研究它是如何捕捉到奇怪的凤尾鱼和螃蟹的。后来，该团队着手制造能够模拟这些运动的机器人。

通过一个又一个原型，他们最终创造了一个内部有弹簧和电线的人造触手。该设备可以生动地呈现波形、伸长、收缩、硬化和弯曲。"这是一种完全不同的制造机器人的方式."拉斯基说。

在过去的10年里，这种方法已经成为机器人学的一个重要研究领域。这一领域的科学家和工程师通常受到人类和其他硬骨动物的启发，并致力于研究硬机器人。这些机器有僵硬的四肢，只能在固定的关节周围弯曲和伸直，因此它们的优势是能够以数学上可预测的方式移动。然而，它们也需要细致的编程和大量的反馈来避免碰到其他对象。即便如此，当与人类、新物体打交道时，或者在崎岖的山路和其他不可预测的情况下，他们的行动往往变得不稳定甚至危险。

受章鱼、毛毛虫或鱼等柔性动物启发的机器人提供了一个解决方案。主要由柔性或弹性材料制成的软机器人可以改变其形状以适应周围环境，而无需大量(通常是不完美的)计算。虽然这些机器中的一些使用电线或弹簧来模拟肌肉和肌腱，但一般来说，软机器人已经放弃了定义上一代机器人的骨骼。这些机器没有骨头或关节等部件，可以以新的方式伸展、卷曲和挤压。它们可以改变形状或大小，包围物体，甚至比以前更安全地触摸人类。

平稳移动

今天，全世界数以百万计的工业机器人都源于同一个基本理念。这些机器是由金属制成的，使用它们沉重而僵硬的肢体在汽车装配线和工业产房进行繁重的手工工作。它的速度、力量和盲目重复是人类无法企及的。然而，标准机器人需要专业的编程、严格控制的条件以及对自身运动的连续反馈，才能准确地知道何时以及如何移动它们的每个关节。同时，他们不能胜任编程参数之外的任务，并且在不可预测的环境中根本无法工作。大多数机器人必须呆在栅栏后面，以保护人类工人免受意外伤害。

"想象一下系鞋带有多难."麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室主任丹尼拉·罗斯说，“这种能力正是我们希望机器人拥有的。”

在过去的10年里，这一愿望引发了人们对开发更轻、更便宜的机器人的兴趣，这些机器人能够处理高精度要求或不可预测的情况，并直接与人类合作。包括Laschi在内的一些机器人专家认为，软材料和生物灵感设计可以提供答案。

拉斯基说，这个想法起初很难接受。"起初，非常传统的机器人会议不想收到我的论文."她说，“但是现在有一个专门讨论这个话题的全体会议。”引起人们兴趣的是聚合物科学的最新进展，尤其是用于浇铸、成型或3D印刷聚合物以形成定制绘图对象的技术的发展。这使得机器人专家能够更*、更快速地尝试制作各种软表单。

结果，30多个组织加入了2013年启动的软机器人协作组织。接下来的一年见证了专业杂志“软机器人技术”的发布和被称为“软机器人技术工具箱”的开放存取资源的发布。后者是一个由都柏林三一学院和爱尔兰哈佛大学的研究人员开发的网站，允许研究人员和业余爱好者分享技能，并找到可下载的设计和其他信息。

抢占市场份额

尽管大多数机器人仍在实验室，但哈佛大学软机器人技术研究员兼化学家乔治·怀特塞德斯创造的一些机器人正在冒险“走出去”，以满足行业对智能机器人的需求。传统的抓取器需要物体位置、形状、重量和重量等因素的详细信息来精确移动每个关节。一个系统可能能够专门处理洗发水瓶子，另一个系统只能拾取儿童玩具，其他系统需要用来抓取t恤。然而，随着制造商更新他们的产品线和电子商务仓库处理越来越多的项目，这些公司需要改变到定制的夹具和更新每个不同应用的控制算法。这通常需要大量的成本和时间。

相反，主要由柔软和弹性材料制成的夹子可以包裹和容纳不同形状和尺寸的物体。软机器人技术是一家总部位于马萨诸塞州剑桥的初创公司，2013年从怀特塞德斯的研究中分离出来，并筹集了约450万美元开发弹性机械爪生产线。

这些机械爪全部由弹性聚合物制成，当空气通过它们的内部通道时会弯曲。刚性机器人必须仔细计算每个手指的运动，而新抓手的柔软度可以使它在物体表面周围变形，直到它牢牢抓住物体而不会造成任何伤害。它甚至可以采摘蘑菇，收获草莓，从藤蔓上摘下西红柿。传统上，这些任务需要工人小心触摸。这家软机器人技术公司于2015年6月发布了第一款手爪，目前正与包装和食品加工领域的六家客户公司一起运行一个测试项目。

位置知觉

随着机械章鱼、毛毛虫、海星和其他可锻机器的出现，一些科学家已经开始关注控制这些设备运动的更好方法。"我们正在谈论柔软和有弹性的材料."印第安纳州普渡大学的机械工程师丽贝卡·克莱默说，“当某个东西向一边移动时，你不确定机器的其他部分会停在哪里。”这就是为什么许多应用可能需要额外的传感器来监控运动。然而，传统的位置和力传感器——刚性或半刚性电子元件——可能并不总是与经历了极端形状变化的软机器人“相处”良好。

像永来公园这样的工程师正在通过开发可扩展的电子传感器来解决这个问题。在卡内基梅隆大学，帕克致力于研究包含夹在硅橡胶片之间的液态金属电路的粘合片。这些液体回路以各种方式铸造和模制，包括螺旋和条纹，以便通过定制传感装置在何时和在哪个方向上被挤压或拉伸。

“可扩展的传感器可以像皮肤一样敏感，这取决于你如何设计它们。你可以调整它们，以适应轻微的手指摩擦或30磅重的物体。”康奈尔大学的机械工程师罗伯特·谢泼德说。他开发了一种方法，可以在一个柔软的机器人上直接用3D打印拉伸敏感的“皮肤”。

可伸缩传感器在快速发展的可穿戴机器人领域发挥着重要作用。在美国军方的资助下，哈佛大学的康纳·沃尔什(Conor Walsh)花了几年时间开发和改进士兵的软机械装甲。它非常柔软，类似于早期的“铁人”外骨骼，旨在帮助士兵远距离搬运重物。沃尔什说，用户仍然可以感觉到有设备可以帮助他们移动，但是穿着这样的衣服走路会感觉“非常自然”这是对传统外骨骼的巨大改进。沃尔什的衣服使用由尼龙、聚合物和氨纶制成的带子，并有策略地沿着腿部放置，而不是厚重而坚硬的覆盖物。一些位置和加速度传感器——目前是标准的刚性设备——可以帮助监控穿戴者的步态，并在关键时刻提供帮助。沃尔什说，下一步是包括可伸缩的传感器，创造一个更柔软和更舒适的体验。(宗华)

《中国科学报》(2016-02-15，第三版国际版)

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